WO2021049345A1 - 術具、手術支援システム、並びに手術用操作ユニット - Google Patents

術具、手術支援システム、並びに手術用操作ユニット Download PDF

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WO2021049345A1
WO2021049345A1 PCT/JP2020/032851 JP2020032851W WO2021049345A1 WO 2021049345 A1 WO2021049345 A1 WO 2021049345A1 JP 2020032851 W JP2020032851 W JP 2020032851W WO 2021049345 A1 WO2021049345 A1 WO 2021049345A1
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unit
axis
surgical tool
shaft
around
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PCT/JP2020/032851
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和仁 若菜
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ソニー株式会社
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    • A61B34/71—Manipulators operated by drive cable mechanisms
    • A61B2034/715—Cable tensioning mechanisms for removing slack

Definitions

  • the techniques disclosed in this specification relate to, for example, surgical tools applied to surgical robots, surgical support systems, and surgical operation units.
  • the surgical tool attached to the slave device is equipped with an end effector that has an opening / closing mechanism such as forceps at the tip.
  • an opening / closing mechanism such as forceps at the tip.
  • the tip has a large number of degrees of freedom, a small diameter, a small size, and a light weight.
  • the tip of the surgical instrument has a total of 3 degrees of freedom, 2 degrees of freedom for rotation and 2 degrees of freedom for opening and closing.
  • a drive method using a cable is often applied to operate the tip of the surgical instrument (see, for example, Patent Documents 2 to 4).
  • JP-A-2019-34002 Japanese Unexamined Patent Publication No. 09-542671 Special Table 2018-534100 Special Table 2019-501699 WO2018 / 163680
  • An object of the technique according to the present disclosure is to provide a surgical tool applied to a surgical robot, a surgical support system, and a surgical operation unit, which have an openable and closable end effector such as forceps and are compact and lightweight. To do.
  • the first aspect of the technology according to the present disclosure is With the shaft A pitch unit rotatably connected to the tip of the shaft around the first axis, A roll unit rotatably supported around the second axis with respect to the pitch unit, and A gripping unit supported so as to be linearly movable in the second axial direction with respect to the roll unit, It is a surgical tool equipped with.
  • the surgical tool according to the first side surface is attached to the lower end of the roll unit in the second axial direction, and further includes a pair of jaws that open and close in conjunction with the linear motion of the grip unit in the second axial direction. Be prepared.
  • the gripping unit linearly moves in the second axial direction by the traction force of the first reciprocating cable set generated when the first motor rotates the first drive capstan, and the linear motion is carried out.
  • the pair of jaws open and close in conjunction with each other. Further, the roll unit rotates around the second axis by the traction force of the second reciprocating cable set generated when the second motor rotates the second drive capstan.
  • either the first reciprocating cable set or the second reciprocating cable set is set along the length of the shaft. It is pulled in the axial direction, whereby the pitch unit swivels around the first axis.
  • the second aspect of the technology according to the present disclosure is It is equipped with a surgical tool and an arm to which the surgical tool is attached.
  • the surgical tool With the shaft A pitch unit rotatably connected to the tip of the shaft around the first axis, A roll unit rotatably supported around the second axis with respect to the pitch unit, and A gripping unit supported so as to be linearly movable in the second axial direction with respect to the roll unit, It is a surgical support system equipped with.
  • the third aspect of the technology according to the present disclosure is It is provided with a surgical tool and a handle portion to which the surgical tool is attached.
  • the surgical tool With the shaft A pitch unit rotatably connected to the tip of the shaft around the first axis, A roll unit rotatably supported around the second axis with respect to the pitch unit, and A gripping unit supported so as to be linearly movable in the second axial direction with respect to the roll unit, It is a surgical operation unit equipped with.
  • a surgical tool applied to a surgical robot, a surgical support system, and surgery which have an openable and closable end effector such as forceps and realizes a reduction in the number of parts and a diameter. Operational units can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an external configuration of the surgical instrument unit 100.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an external configuration of the surgical instrument unit 100.
  • FIG. 3 is a six-view view of the surgical instrument unit 100.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 6 is an exploded view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 7 is an enlarged view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit (however, the pitch unit 401 and the shaft 102 are drawn transparently).
  • FIG. 8 is a six-view view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 6 is an exploded view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 9 is a diagram showing a roll unit 402, a gripping unit, a rod 404, and a pair of jaws 405a and 405b.
  • FIG. 10 is a view showing a cross section of a roll unit 402, a gripping unit, a rod 404, and a pair of jaws 405a and 405b.
  • FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of the lower end of the rod 404 and a pair of jaws 405a and 405b.
  • FIG. 12 is an enlarged view of the vicinity of the first axis of the surgical instrument unit tip 101.
  • FIG. 13 is a diagram showing a mechanism in which the first reciprocating cable sets C1a and C1b are fixed to the gripping unit 403.
  • FIG. 10 is a view showing a cross section of a roll unit 402, a gripping unit, a rod 404, and a pair of jaws 405a and 405b.
  • FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of
  • FIG. 14 is a diagram showing a mechanism in which the second reciprocating cable sets C2a and c2b are fixed to the roll unit 402.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of arrangement of actuators in the surgical instrument unit drive unit 103.
  • FIG. 16 is a diagram showing how the jaws 405a and 405b open and close.
  • FIG. 17 is a diagram showing how the jaws 405a and 405b open and close.
  • FIG. 18 is a diagram showing how the jaws 405a and 405b open and close.
  • FIG. 19 is a diagram showing how the roll unit 402 rotates about the second axis.
  • FIG. 20 is a diagram showing how the roll unit 402 rotates about the second axis.
  • FIG. 20 is a diagram showing how the roll unit 402 rotates about the second axis.
  • FIG. 21 is a diagram showing how the roll unit 402 rotates about the second axis.
  • FIG. 22 is a diagram showing how the roll unit 402 rotates around the second axis.
  • FIG. 23 is a diagram showing how the roll unit 402 rotates around the second axis.
  • FIG. 24 is a diagram showing how the pitch unit 401 swivels around the first axis.
  • FIG. 25 is a diagram showing how the pitch unit 401 swivels around the first axis.
  • FIG. 26 is a diagram showing how the pitch unit 401 swivels around the first axis.
  • FIG. 27 is a diagram showing how the pitch unit 401 swivels around the first axis.
  • FIG. 28 is a diagram showing how the pitch unit 401 swivels around the first axis.
  • FIG. 29 is a diagram showing a state in which three axes are simultaneously driven at the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 30 is a diagram showing a state in which three axes are simultaneously driven at the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 31 is a diagram showing a state in which three axes are simultaneously driven at the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 32 is a diagram showing an operation example in which the pitch unit 401 turns around the first axis.
  • FIG. 33 is a diagram showing an operation example in which the roll unit 402 rotates about the second axis.
  • FIG. 34 is a diagram showing an example of gripping operation of the jaws 405a and 405b.
  • FIG. 35 is a diagram showing an example of a jaw turning operation.
  • FIG. 36 is a diagram showing an example of a jaw turning operation.
  • FIG. 37 is a view showing a cross section of the roll unit 3700 according to the modified example.
  • FIG. 38 is a diagram showing a cross-sectional configuration example of the roll unit 3700 to which the FBG sensor is applied.
  • FIG. 39 is a diagram showing an example of an external configuration of a surgical robot 3900 using a surgical instrument unit.
  • FIG. 40 is a diagram showing an example of an external configuration of the operation unit 4000.
  • the surgical tool applied to the surgical robot has a total of 3 degrees of freedom, 2 degrees of freedom for rotation and 2 degrees of freedom for opening and closing at the tip.
  • a type of surgical tool including an openable and closable end effector composed of a pair of jaws, a wrist that supports the end effector, and a shaft that has a longitudinal axis and connects the wrist to the tip.
  • This type of surgical tool has a first axis that swivels the wrist around the tip of the shaft, for example, around the yaw axis, a second axis that swivels the end effector with respect to the wrist, for example, around the pitch axis, and a jaw. It has a degree of freedom configuration of a third axis (opening / closing axis) for opening / closing operation (see, for example, Patent Documents 2 to 4). In the case of such a degree of freedom configuration, the range of motion of each link is limited, so that the operation of both the first axis and the second axis is limited to about ⁇ 90 degrees.
  • a configuration including a first axis that turns around the yaw axis and a second axis that turns the direction of the end effector with respect to the wrist, for example, around the pitch axis is suitable.
  • a surgical tool unit having a total of 3 degrees of freedom of rotation 2 degrees of freedom and opening / closing degrees of freedom at the tip and realizing a wide range of motion is proposed below.
  • the surgical instrument unit according to the present disclosure is assumed to be used for surgery on or near the body surface, for example, but one purpose is to realize a wide range of motion.
  • the surgical instrument unit includes a shaft having a longitudinal axis, a pitch unit, a roll unit, and a gripping unit.
  • the shaft supports the pitch unit at its tip so as to be able to swivel around the first axis parallel to the pitch axis.
  • the pitch unit rotatably supports the roll unit about a second axis parallel to the roll axis.
  • the roll unit may support a gripping unit having a pair of jaws that can be opened and closed. Therefore, in the surgical tool unit according to the present disclosure, the degree of freedom of rotation in which the pitch unit rotates around the first axis with respect to the tip of the shaft, and the roll unit instructed by the pitch unit rotates about the second axis. It has three degrees of freedom consisting of a degree of freedom of rotation and a degree of freedom of opening and closing a pair of jaws.
  • the surgical instrument unit according to the present disclosure has a range of motion of ⁇ 80 degrees around the first axis of the pitch unit and ⁇ 140 to 150 degrees around the second axis of the roll unit, for example, the body surface or It can be said that the range of motion is wide enough when used for surgery near the body surface.
  • the maximum opening / closing angle of the pair of jaws is, for example, 20 degrees.
  • the traction force of the cable is used to drive the pitch unit, the roll unit, and the gripping unit (or jaw). That is, the power of each actuator arranged on the root side (proximal end side) of the shaft is transmitted to the pitch unit, the roll unit, and the gripping unit on the tip side (distal end side) by using a cable.
  • a capstan for applying power to the cable or converting the force from the cable into an axial force, adjusting the layout of the cable in the shaft, and applying a certain tension to the cable.
  • Multiple pulleys may be used, such as idler pulleys used for purposes.
  • FIGS. 1 and 2 show an external configuration example of the surgical instrument unit according to the present disclosure. Further, FIG. 3 shows a six-view view of the surgical instrument unit.
  • the illustrated surgical tool unit 100 includes a hollow shaft 102 having a longitudinal axis, a surgical tool unit tip 101 at one end of the shaft 102, and a surgical tool unit driving unit 103 at the other end of the shaft 102.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the surgical tool unit 100
  • FIG. 2 shows a transparent shaft 102 and a surgical tool unit driving unit 103 to visualize the inside.
  • the surgical tool unit tip 101 is rotatably supported by a pitch unit that can rotate around the first axis parallel to the pitch axis with respect to the shaft 102 and a second axis parallel to the roll axis by the pitch unit. It includes a roll unit and a gripping unit supported by the roll unit.
  • the gripping unit includes a pair of jaws that can be opened and closed. However, the second axis is arranged at a position offset from the first axis.
  • Each movable part of the surgical tool unit tip 101 is driven by the traction force of the cable.
  • an actuator for towing each cable is arranged in the surgical instrument unit drive unit 103.
  • an electromagnetic rotary motor is used as the actuator.
  • a plurality of cables for driving the pitch unit, the roll unit, and the gripping unit of the surgical instrument unit tip 101 are inserted through the shaft 102.
  • the surgical instrument unit drive unit 101 is provided with three motors for towing a cable for driving each of the pitch unit, the roll unit, and the gripping unit.
  • FIG. 4 and 5 show the tip 101 of the surgical instrument unit in an enlarged manner (however, the viewing direction is switched between FIGS. 4 and 5).
  • FIG. 6 shows an exploded view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • the surgical instrument unit tip 101 includes a pitch unit 401, a roll unit 402, a gripping unit 403, a rod 404, and a pair of jaws 405a and 405b attached to the lower end of the rod 404. It includes a first reciprocating cable set C1a and C1b and a second reciprocating cable set C2a and C2b.
  • FIG. 7 makes the pitch unit 401 and the shaft 102 transparent, and visualizes the layout of each cable in the vicinity of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 8 shows a six-view view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b and the actuators for towing the second reciprocating cable sets C2a and C2b are arranged in the surgical instrument unit drive unit 103. Details of this point. Will be described later.
  • the pitch unit 401 is supported near the tip of the shaft 102 so as to be able to turn around the first axis parallel to the pitch axis.
  • the pitch unit 401 has the shape of a hollow cylinder having a second axis parallel to the roll axis as the center of rotation.
  • the roll unit 402 is inserted into the hollow cylinder of the pitch unit 401, and as a result, the roll unit 402 is supported by the pitch unit 401 so as to be rotatable about the second axis.
  • the roll unit 402 rotates around the second axis by the traction force of the second reciprocating cable sets C2a and C2b, and the details of this point will be described later.
  • a rail for restricting the movement of the gripping unit 403 is formed on the rear rear surface of the roll unit 402 in the direction of the second axis. Therefore, the gripping unit 403 can move along the rail in the direction of the second axis (or in the vertical direction) within a predetermined range.
  • the gripping unit 403 moves in the second axial direction by the traction force of the first reciprocating cable sets C1a and C1b, and details of this point will be described later.
  • FIG. 9 shows the roll unit 402, the gripping unit, the rod 404, and the pair of jaws 405a and 405b taken out from the tip portion 101 of the surgical instrument unit.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view of the roll unit 402, the gripping unit, the rod 404, and the pair of jaws 405a and 405b, which are orthogonal to the first axis and cut in a plane including the second axis.
  • the roll unit 402 has a through hole penetrating in the direction of the second axis, and the rod 404 is inserted through this through hole.
  • the upper end of the rod 404 is supported by the gripping unit 403 so that it can rotate via a bearing.
  • the bearing has a structure that supports a load applied in the second axial direction, and the rod 404 can rotate about the second axis with respect to the gripping unit 403, but with respect to the gripping unit 403 in the second axial direction. It shall not move relative to each other. Therefore, when the gripping unit 403 moves linearly with respect to the roll unit 402 in the direction of the second axis, the rod 404 also moves linearly with the gripping unit 403 in the direction of the second axis.
  • FIG. 11 shows an enlarged cross-sectional view of the lower end of the rod 404 and a pair of jaws 405a and 405b.
  • the jaws 405a and jaws 405b have shapes that are substantially symmetrical with respect to the second axis. Both the jaw 405a and the jaw 405b can rotate around the opening / closing shaft 1101 formed at the tip of the roll unit 402. Further, the jaws 405a and the jaws 405b are respectively provided with elongated hole grooves 1102 behind the opening / closing shaft 1101. A pin 1103 projecting from the tip of the rod 404 is inserted into each of the elongated hole grooves 1102 of the jaw 405a and the jaw 405b.
  • the longitudinal axes of the elongated hole grooves 1102 of the jaws 405a and the jaws 405b are inclined in opposite directions with respect to the second axis, and the wall surface of each longitudinal groove 1102 makes a linear motion in the second axial direction the jaws 405a and the jaws. It constitutes a cam that converts the motion in the opening / closing direction of 405b.
  • the rod 404 moves linearly with respect to the roll unit 402 together with the gripping unit 403 in the direction of the second axis.
  • the pin 1103, together with the rod 404 reciprocates in the direction of the second axis (that is, in the vertical direction of the paper surface). Since the pin 1103 reciprocates so as to slide in each of the long groove holes 1102, each long groove hole 1102 needs to intersect the rod 404 (or the second axis) at the current position of the pin 1103. Further, the longitudinal axes of the elongated hole grooves 1102 of the jaws 405a and the jaws 405b are inclined in opposite directions with respect to the second axis, and the wall surfaces of the elongated hole grooves 1102 form a cam.
  • the jaws 405a and the jaws 405b rotate in opposite directions around the opening / closing shaft 1101 in response to the linear motion of the pin 1103 in the second axial direction.
  • This is a mechanism in which the jaw 405a and the jaw 405b are opened and closed by the linear motion of the rod 404 in the direction of the second axis.
  • the opening / closing structure of the jaw 405a and the jaw 405b is not limited to this, and the opening / closing operation of the jaw 405a and the jaw 405b is realized by the linear motion of the rod 404 in the direction of the second axis by using another mechanism. You may do it.
  • the surgical instrument unit 100 includes a first reciprocating cable set C1a and C1b and a second reciprocating cable set C2a and C2b.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b and the actuators for towing the second reciprocating cable sets C2a and C2b are arranged in the surgical instrument unit drive unit 103. I will give it to you later.
  • FIG. 12 shows an enlarged portion of the tip portion 101 of the surgical instrument unit through which the first reciprocating cable sets C1a and C1b near the first axis and the second reciprocating cable sets C2a and C2b pass.
  • FIG. 13 shows a mechanism in which the first reciprocating cable sets C1a and C1b are fixed to the gripping unit 403.
  • FIG. 14 shows a mechanism in which the second reciprocating cable sets C2a and c2b are fixed to the roll unit 402.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b are fixed to the gripping unit 403 at the cable connection portion 1301 provided on the gripping unit 403.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b are wound around a gripping pulley GP rotatably supported on the back surface of the pitch unit 401 from opposite directions. , It is laid out so as to draw a U shape and fold it back.
  • the cable C1a on the first outbound route is pulled in the direction of the second axis, but the direction orthogonal to the first axis by the first idler pulley IP11a having the first axis as the rotation axis.
  • the layout inside the shaft 102 is adjusted so that the shaft 102 is inserted by the first adjacent idler pulley IP12a which is adjacent to the first idler pulley IP11a and has a rotation axis parallel to the first axis. Will be done.
  • the cable C1b on the first return path is towed in the direction of the second axis, but is changed in the direction orthogonal to the first axis by the first idler pulley IP11b having the first axis as the rotation axis. Further, the layout is adjusted so that the inside of the shaft 102 is inserted by the first adjacent idler pulley IP12b which is adjacent to the first idler pulley IP11b and has a rotation axis parallel to the first axis.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b are pulled through the shaft 102 and then pulled by the actuator arranged in the surgical instrument unit drive unit 103.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b are driven by a single motor (first motor M1) by a cable loop method, but the details will be described later.
  • first motor M1 first motor M1
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b are fixed to the gripping unit 403 at the cable connection point 1301 (described above). Therefore, when the first outbound cable C1a is towed, the gripping unit 403 rises in the direction of the second axis along the rail (described above) on the back surface of the pitch unit 401. Further, when the cable C1b on the first return path is towed, the gripping unit 403 descends in the direction of the second axis.
  • the rod 404 is supported by the gripping unit 403 at its tip (described above), and reciprocates in the direction of the second axis together with the gripping unit 403, whereby the degree of freedom of opening and closing of the jaw 405a and the jaw 405b is realized.
  • the roll unit 402 is provided with a roll capstan RC near the middle in the second axial direction.
  • the second outbound cable C2a and the second inbound cable C2b are wound around the roll capstan RC from opposite directions and fixed to the roll unit 402 at their ends. ..
  • the second outward cable C2a and the second return cable C2b are wound around the roll capstan RC so as to overlap each other by about 180 degrees around the second axis, whereby the roll unit 402 A range of motion of ⁇ 150 degrees around the second axis is realized.
  • pins are projected on the pitch unit 401 in the vicinity where the second outward cable C2a and the second return cable C2b pass.
  • the height of each pin in the second axis direction is almost the same.
  • the second outward cable C2a passes above the pin and is then wound around the roll capstan RC, and the second return cable C2b is passed below the pin and then wound around the roll capstan RC. .. Therefore, the cable C2a on the second outbound route and the cable C2b on the second inbound route are separated from each other in the height direction of the second axis so as not to come into contact with each other, and overlap with each other by about 180 degrees around the second axis. It is wrapped around a roll capstan RC (see FIG. 14). As a result, when the roll unit 402 is driven about ⁇ 150 degrees around the second axis, the second outbound cable C2a and the second inbound cable C2b are not entangled.
  • the cable C2a on the second outbound route is towed in a direction orthogonal to the second axis, but is orthogonal to the first axis by the second idler pulley IP21a having the first axis as the rotation axis.
  • the layout is adjusted so that the shaft 102 is inserted by the second adjacent idler pulley IP22a which is adjacent to the second idler pulley IP21a and has a rotation axis parallel to the first axis.
  • the cable C2b on the second return path is towed in a direction orthogonal to the second axis, but is changed in a direction orthogonal to the first axis by the second idler pulley IP21b having the first axis as the rotation axis.
  • the layout is further adjusted so that the shaft 102 is inserted by the second adjacent idler pulley IP22b which is adjacent to the second idler pulley IP21b and has a rotation axis parallel to the first axis.
  • the second reciprocating cable sets C2a and C2b are pulled through the shaft 102 and then pulled by the actuator arranged in the surgical instrument unit drive unit 103.
  • the second reciprocating cable sets C2a and C2b are driven by a single motor (second motor M2) by a cable loop method, but the details will be described later.
  • second motor M2 single motor
  • the second outbound cable C2a and the second inbound cable C2b are wound around the roll unit 402 from opposite directions (described above). Therefore, when the second outbound cable C2a is towed, the roll unit 402 can be rotated forward around the second axis. Further, when the cable C2b on the second return path is towed, the roll unit 402 can be inverted around the second axis. As a result, the degree of freedom of rotation around the second axis of the tip portion 101 of the surgical tool unit is realized.
  • the idler pulleys IP11a, IP11b, IP21a, and IP21b all have the first axis as the rotation axis. Further, the adjacent idler pulleys IP12a, IP12b, IP22a, and IP22b are all parallel to the first axis and have the same rotation axis. Then, in the shaft 102, the layout is arranged by the above idler pulleys so that the first reciprocating cable sets C1a and C1b pass through the upper side and the second reciprocating cable sets C2a and C2b pass through the lower side. It has been adjusted.
  • the second reciprocating cable sets C2a and C2b are in the direction in which the first reciprocating cable sets C1a and C1b are wound around the idler pulleys IP11a and IP11b. Is wound around the idler pulleys IP21a and IP21b from the opposite direction. Therefore, when the first reciprocating cable sets C1a and C1b are towed (or when the shaft 102 is retracted in the longitudinal axis direction) and when the second reciprocating cable sets C2a and C2b are retracted. , A rotational force in the opposite direction is applied to the pitch unit 401 around the first axis.
  • the pitch unit 401 can be swiveled around the first axis. , The degree of freedom of rotation around the second axis of the tip portion 101 of the surgical tool unit is realized.
  • FIG. 15 illustrates an example of arrangement of actuators in the surgical instrument unit drive unit 103 and a method of pulling a cable by each actuator.
  • a first motor M1, a second motor M2, and a third motor M3 are provided. Further, the first to third motor capstans MC1, MC2, and MC3 as drive capstans are attached to the output shafts of the first to third motors M1 to M3, respectively.
  • a rotary motor is used for each of the first to third motors M1 to M3, but a motor with a speed reducer may be used. It is best to use an electromagnetic rotary motor as the first to third motors M1 to M3. However, it is possible to replace it with another type of actuator that can rotate the drive capstan.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b are wound around the first motor capstan MC1 via the idler pulleys IP13a and IP13b.
  • the first motor M1 can rotate the first motor capstan MC1 in the forward direction to apply a traction force to the cable set C1a on the first outbound route.
  • the gripping unit 403 rises with respect to the pitch unit 401 and the roll unit 402
  • the rod 404 also rises in the second axial direction, and the operation of closing the jaw 405a and the jaw 405b can be realized.
  • the gripping unit 403 is the pitch unit 401 and the roll unit 402. Since the rod 404 also descends in the second axial direction, the operation of opening the jaw 405a and the jaw 405b can be realized. In short, the first motor M1 has a role of opening and closing the jaws 405a and the jaws 405b.
  • 16 to 18 show how the jaws 405a and 405b open and close.
  • the first motor M1 rotates the first motor capstan MC1 to the maximum in the positive direction, and the traction force of the cable C1a on the first outbound route maximizes the gripping unit 403 and the rod 404.
  • the jaws 405a and 405b are closed.
  • the gripping unit 403 and the rod 404 are slightly lowered, and the opening angles of the jaws 405a and 405b are 10 degrees. Further, in the example shown in FIG.
  • the first motor M1 rotates the first motor capstan MC1 to the maximum in the negative direction, and the traction force of the cable C1b on the first return path causes the gripping unit 403 and the rod 404 to be rotated.
  • the opening angles of the jaws 405a and 405b are 20 degrees.
  • the second reciprocating cable sets C2a and C2b are wound around the second motor capstan MC2 via the idler pulleys IP23a and IP23b. Therefore, when the second motor M2 rotates the second motor capstan MC2 in the forward direction and applies a traction force to the second reciprocating cable set C2a, the roll unit 402 rotates forward around the second axis. Can be made to. Further, when the second motor M2 rotates the second motor capstan MC2 in the negative direction and applies a traction force to the second reciprocating cable set C2a, the roll unit 402 rotates in the reverse direction around the second axis. Can be made to. In short, the second motor M2 has a role of rotating the roll unit 402 around the second axis parallel to the roll axis.
  • 19 to 23 show how the roll unit 402 rotates around the second axis.
  • the second motor M2 rotates the second motor capstan MC2 to the maximum in the positive direction, and the traction force of the second outward cable C2a causes the roll unit 402 to rotate around the second axis. It is rotated forward by 150 degrees.
  • the second motor M2 gradually rotates the second motor capstan MC2 in the negative direction, and the traction force of the cable C2b on the second return path causes the second shaft of the roll unit 402 to rotate.
  • the rotation angle is reduced to 75 degrees, 0 degrees, and -75 degrees in order. Further, in the example shown in FIG.
  • the second motor M2 rotates the second motor capstan MC2 to the maximum in the negative direction, and the roll unit 402 is seconded by the traction force of the cable C2b on the second outbound route. It is rotated in the reverse direction by -140 degrees around the axis.
  • the third motor M3 has a role of rotating the pitch unit 401 around the first axis parallel to the pitch axis, and this point will be described in detail.
  • the second reciprocating cable sets C2a and C2b have the idler pulley IP21a from the direction opposite to the direction in which the first reciprocating cable sets C1a and C1b are wound around the idler pulleys IP11a and IP11b. And wrapped around IP21b. Therefore, when the first reciprocating cable sets C1a and C1b are towed (or when the shaft 102 is retracted in the longitudinal axis direction) and when the second reciprocating cable sets C2a and C2b are retracted. , A rotational force in the opposite direction is applied to the pitch unit 401 around the first axis.
  • the pitch unit 401 can be swiveled around the first axis. , The degree of freedom of rotation around the second axis of the tip portion 101 of the surgical tool unit is realized.
  • the first motor M1 is supported on the first slide base SB1 that slides in the longitudinal direction of the shaft 102, and the second motor M2 slides in the longitudinal direction of the shaft 102. It is supported on the second slide base SB2. Further, a third reciprocating cable set C3a and C3b are wound around the third motor capstan MC3 via the third idler pulleys IP3a and IP3b. The other end of the third outward cable C3a is fixed to the first slide base SB1, and the other end of the third return cable C3b is fixed to the second slide base SB2.
  • the third motor M3 can rotate the third motor capstan MC3 in the forward direction to apply a traction force to the cable C3a on the third outbound route.
  • the first slide base SB1 retracts to the root side (that is, the proximal end) of the shaft 102, and the second slide base SB2 advances to the distal end side (that is, the distal end) of the shaft 102.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b retract and the second reciprocating cable sets C2a and C2b advance, and as a result, the pitch unit 401 rotates in the positive direction around the first axis.
  • the third motor M3 can rotate the third motor capstan MC3 in the negative direction to apply a traction force to the cable C3b on the third return path.
  • the second slide base SB2 retracts to the root side (that is, the proximal end) of the shaft 102, and the first slide base SB1 advances to the distal end side (that is, the distal end) of the shaft 102.
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b move forward and the second reciprocating cable sets C2a and C2b move backward, and as a result, the pitch unit 401 rotates in the negative direction around the first axis.
  • FIGS. 24 to 28 show how the pitch unit 401 swivels around the first axis.
  • the third motor M3 rotates to the maximum in the positive direction, and the traction force of the cable C3a on the third outbound route causes the first slide base SB1 to retract to the maximum.
  • the pitch unit 401 turns about 80 degrees around the first axis.
  • the third motor M3 gradually rotates the third motor capstan MC3 in the negative direction, and the traction force of the cable C3b on the third return path causes the second slide base SB2 to move. Gradually retreat. As a result, the pitch unit 401 gradually turns in the negative direction around the first axis, and the turning angle gradually decreases to 40 degrees, 0 degrees, and ⁇ 40 degrees.
  • the third motor M3 rotates to the maximum in the negative direction, and the traction force of the cable C3b on the third return path causes the second slide base SB2 to retract to the maximum.
  • the pitch unit 401 turns about the first axis by ⁇ 80 degrees.
  • the linear motion of the 403 in the second axis direction) is non-interfering and can drive the three axes at the same time.
  • FIGS. 29 to 31 show how the tip 101 of the surgical instrument unit simultaneously drives three axes.
  • the third motor M3 rotates the third motor capstan MC3 in the forward direction, and the traction force of the third outward cable C3a causes the first slide base SB1 to retract.
  • the pitch unit 401 is swiveled around the first axis by 40 degrees.
  • the jaws 405a and 405b are further opened up to an angle of 20 degrees in a state where the pitch unit 401 is rotated by 40 degrees around the first axis.
  • the first motor M1 rotates the first motor capstan MC1 in the negative direction to pull the cable set C1b on the first return path.
  • the rod 404 descends in the second axial direction, so that the jaws 405a and 405b are opened.
  • the pitch unit 401 is rotated by 40 degrees around the first axis, and the jaws 405a and 405b are opened up to an angle of 20 degrees, and the roll unit 402 is further rotated by the second axis. Turn forward by 45 degrees.
  • the second motor M2 rotates the second motor capstan MC2 in the forward direction, and the traction force of the second outward cable C2a causes the roll unit 402 to rotate forward by 45 degrees around the second axis. The action is generated.
  • the operation method of the tip 101 of the surgical tool unit is summarized.
  • the jaws 405a and 405b can swivel around the opening / closing shaft 1101 formed at the tip of the roll unit 402, and swivel around the opening / closing shaft 1101 in opposite directions according to the linear motion of the rod 404 in the second axial direction. Then, when the first motor capstan MC1 is rotated by the first motor M1, a traction force is generated in either of the first reciprocating cable sets C1a and C1b, and the rod 404 is raised in the second axial direction or By lowering, the opening / closing operation of the jaws 405a and 405b is generated.
  • FIG. 32 shows an operation example in which the pitch unit 401 turns around the first axis.
  • the figure is a view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit viewed from a direction parallel to the first axis.
  • the radius of each idler pulley pulley P11a, P11b, P21a, P21b having the first axis as the rotation axis is R pitch
  • the turning angle around the first axis of the pitch unit 401 is ⁇ pitch .
  • X be the amount of displacement of the cable shaft 102 from a predetermined reference position in the longitudinal axis direction.
  • FIG. 33 shows an operation example in which the roll unit 402 (or jaws 405a and 405b) rotates around the second axis.
  • the figure is a view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit viewed from a direction parallel to the second axis.
  • the pulley radius of the roll capstan RC is R roll
  • the rotation angle of the roll unit 402 around the second axis is ⁇ roll .
  • FIG. 34 shows an example of a gripping operation in which the jaws 405a and 405b rotate around an opening / closing axis to open / close.
  • the figure is a view of the tip portion 101 of the surgical instrument unit viewed from a direction parallel to the first axis.
  • the jaws 405a and 405b open and close in response to the linear motion of the rod 404 in the second axial direction. Let the opening angles of the jaws 405a and 405b be ⁇ grips .
  • FIG. 35 shows the positional relationship between the opening / closing shaft of the jaw and the pin at the tip of the rod 404 that slides in the elongated groove hole formed in the jaw.
  • the left side shows the entire jaw
  • the right side shows the vicinity of the opening / closing shaft in an enlarged manner.
  • the figure shows an example of the jaw 405a, the same applies to the jaw 405b.
  • the figure shows a state in which the jaws 405a and 405b are closed. When the jaws 405a and 405b are closed, the distance from the center of the opening / closing shaft to the pin at the tip of the rod 404 (not shown in FIG.
  • the wall surface of the long groove hole formed in the jaw constitutes a cam surface, and the pin at the tip end of the rod 404 slides along the wall surface of the long groove hole.
  • the gripping unit 403 rises and the rod 404 also rises in the second axial direction, the operation of closing the jaw 405a and the jaw 405b is realized.
  • the gripping unit 403 is lowered and the rod 404 is also lowered in the second axial direction, the operation of opening the jaw 405a and the jaw 405b is realized.
  • Figure 36 is a rod 404 (not shown in FIG.
  • FIG. 36 shows how the distance from the center to the pin at the tip of the rod 404 of the control shaft is displaced from x 0 to x ing.
  • the left side shows the entire jaw
  • the right side shows the vicinity of the opening / closing shaft in an enlarged manner.
  • the opening angle of the jaw at this time is ⁇ grip / 2
  • the inclination angle of the long axis of the long groove hole with respect to the second axis is ⁇ .
  • the height of a right triangle whose hypotenuse is x between the pins at the tip of the rod 404 from the center of the opening / closing shaft is L.
  • the displacement (x 0 ⁇ x) of the rod 404 in the second axial direction is expressed by the following equation (1).
  • the first reciprocating cable sets C1a and C1b and the second reciprocating cable sets C2a and C2b advance and retreat in the longitudinal axis direction of the shaft 102 by driving the first to third motors M1 to M3, respectively.
  • the displacement amounts of the shaft 102 of each cable from a predetermined reference position in the longitudinal axis direction are referred to as X C1a , X C1b , X C2a , and X C2b , respectively.
  • the relationship between the opening angle ⁇ grip of 405b is expressed by the following equations (2) to (5), respectively.
  • the turning angle ⁇ pitch around the first axis of the pitch unit 401, the opening angle ⁇ grip of the jaws 405a and 405b, and the rotation angle ⁇ roll around the second axis of the roll unit 402 are the following equations (6) to (8), respectively. ).
  • the opening angles ⁇ grips of the jaws 405a and 405b are related only to the displacement amounts X C1a and X C1b of the first reciprocating cable sets C1a and C1b.
  • the rotation angle ⁇ roll around the second axis of the roll unit 402 involves only the displacement amounts X C2a and X C2b of the second reciprocating cable sets C2a and C2b. ..
  • the turning angle ⁇ pitch around the first axis of the pitch unit 401 is the displacement amount of the first reciprocating cable sets C1a and C1b X C1a , X C1b and the second reciprocating cable set. It can be seen that it is determined by the difference between the displacement amounts X C2a and X C2b of C2a and C2b.
  • FIG. 37 shows a cross section of the roll unit 3700 according to the deformation example.
  • the illustrated roll unit 3700 is divided into an inner surgical tool shaft portion 3701 and an outer surgical tool cover portion 3702 in the above-mentioned "roll unit 402".
  • the surgical tool shaft portion 3701 has a hollow cylindrical shape, and a rod 404 is inserted therein.
  • the surgical tool cover portion 3702 has a hollow cylindrical shape having an inner diameter equal to or larger than that of the surgical tool shaft portion 3701, and the surgical tool shaft portion 3701 is inserted therein.
  • a roll capstan RC is formed on the outer circumference of the surgical instrument cover portion 3702, and a second reciprocating cable set C2a and C2b (not shown in FIG.
  • the outer circumference of the surgical instrument shaft portion 3701 and the inner wall surface of the surgical instrument cover portion 3702 are slightly separated from each other, and a space exists. Using this space, strain detection elements 3703 are attached to several places on the outer circumference of the surgical instrument shaft portion 3701. Then, the detection signal of each strain detection element 3703 can be calculated and processed to calculate the external force applied to the jaws 405a and 405b at the tip of the surgical instrument.
  • a pair of strain detecting elements 3703a and 3703b are attached to opposite sides of the surgical tool shaft portion 3701 in a direction orthogonal to the roll axis (tentatively referred to as “Y direction”).
  • the strain amount in the Y direction of the surgical instrument shaft portion 3701 can be calculated by arithmetically processing the detection signals of the pair of strain detection elements 3703a and 3703b, and the strain amount is calculated by the jaws 405a and 405b. It can be converted into an external force applied in the Y direction.
  • a pair of strain detecting elements (not shown in FIG.
  • a strain-causing structure may be formed at a position on the surgical instrument shaft portion 3701 where the strain detecting elements 3703a and 3703b are arranged.
  • strain detecting elements 3703a and 3703b detection elements widely known in the art such as a capacitance type sensor, a semiconductor strain gauge, and a foil strain gauge can be used.
  • an FBG (Fiber Bragg Grating) sensor manufactured by using an optical fiber may be used for the strain detection elements 3703a and 3703b.
  • the FBG sensor is a sensor configured by carving a diffraction grating along the long axis of an optical fiber, and changes in the spacing of the diffraction gratings due to expansion or contraction due to distortion caused by acting force or changes in temperature. Can be detected as a change in the wavelength of the reflected light with respect to the incident light in a predetermined wavelength band (Bragg wavelength) (well known). Then, the change in wavelength detected by the FBG sensor can be converted into the strain, stress, and temperature change that cause the change.
  • Bragg wavelength a predetermined wavelength band
  • the FBG sensor using an optical fiber has a small transmission loss (it is difficult for noise from the outside world to get on), it is possible to maintain high detection accuracy even under the assumed usage environment.
  • the FBG sensor has an advantage that it is easy to take sterilization and a strong magnetic field environment necessary for medical treatment (see, for example, Patent Document 5).
  • FIG. 38 shows an example of a cross-sectional configuration of the roll unit 3700 when an FBG sensor is used as the strain detection element.
  • the two optical fibers 3801 and 3802 are arranged in the roll axis direction from the upper end surface of the roll unit 3700 by utilizing the space between the outer circumference of the surgical instrument shaft portion 3701 and the inner wall surface of the surgical instrument cover portion 3702. It has been inserted.
  • the two optical fibers 3801 and 3802 are arranged on opposite sides in the Y direction.
  • gratings are engraved at the positions indicated by the reference numbers 3803 and 3804 of the optical fibers 3801 and 3802, respectively, and can operate as a distortion detecting element.
  • a strain-causing structure may be formed in the vicinity of the gratings 3803 and 3804 of the surgical instrument shaft 3701.
  • E Deformation example of surgical instrument unit E-1. Modification example of the method of driving the cable It is best to use an electromagnetic rotary motor as the first to third motors M1 to M3. However, it is possible to replace it with another type of actuator that can rotate the drive capstan. Other deformability of the actuator that pulls the cable may further include, for example:
  • Piezo type direct drive type ultrasonic motor ⁇ Piezo type rotary type ultrasonic motor ⁇ Hydraulic type direct action motor ⁇ Hydraulic type rotary motor ⁇ Polymer direct action actuator ⁇ Electromagnetic type direct action motor ⁇ Shape memory alloy
  • the actuator may be equipped with a speed reducer, a position detector, and an emergency brake mechanism.
  • the reducer include a gear type reducer, a wave gear reducer, a postal gear reducer, a mysterious postal gear reducer, a cable reducer, a traction reducer, a ball screw, a slip screw, a worm gear, and the like. it can.
  • the position detector for example, a magnetic encoder, an optical encoder, a potentiometer and the like can be mentioned.
  • E-2 Deformation example of the shape of the jaw
  • the jaw is drawn in a relatively simple shape for convenience.
  • the shape of the jaw may be changed according to the use of the surgical instrument unit. For example, the following can be mentioned.
  • the shaft 102 is ideally a rigid body, but may be an elastic body such as a flexible endoscope. Further, in each drawing, a shaft 102 having a simple hollow cylindrical shape is drawn for simplification, but the shaft 102 does not necessarily have to have a cylindrical shape.
  • the cross section of the shaft 102 may have a polygonal shape or an elliptical shape, or the cross-sectional shape may be switched in the middle of the longitudinal axis direction.
  • the cable may be a bundle of metal wires, a bundle of resins, or a mixture of a plurality of materials such as metal wires and resin.
  • a metal shaft 102 having high rigidity is used for a cable portion that is arranged inside the shaft 102 and does not require bending, and is connected to a flexible cable used for a curved portion to form a single cable. May be configured. Examples of cable alternatives include:
  • the cable may be laid out along the guide groove formed in the mechanism without using the idler pulley.
  • FIG. 39 shows an external configuration example of the surgical robot 3900 using the surgical tool unit according to the present embodiment.
  • the illustrated surgical robot 3900 includes an arm 3901 having a multi-link structure, and a surgical instrument unit 3902 is mounted on the tip of the arm 3901.
  • the surgical instrument unit 3902 may be replaceable.
  • the surgical robot 3900 is applied to, for example, laparoscopic surgery, in which the tip portion 101 of the surgical instrument unit is inserted into the abdominal cavity via a trocar (not shown) to perform an operation such as grasping or excising the affected portion.
  • the illustrated surgical robot 3900 is used, for example, as a slave device in a master-slave system, and the arm 3901 and the surgical instrument unit 3902 are driven according to a command from the master device (not shown). Further, for example, a bilateral control method is applied to this type of master-slave system.
  • the arm 3901 may be, for example, a polar coordinate type robot, a cylindrical coordinate type robot, a right angle coordinate type robot, a vertical articulated robot, a horizontal articulated robot, a parallel link type robot, an RCM (Remote Center of Motion) type robot, or the like. Any of these mechanical robots may be used.
  • the arm 3901 can be used as an arm 3901 from the viewpoint of compactness of the mechanism and ease of generating a pivot motion at a trocar location. It is preferable to use a joint type arm or an RCM (Remote Center of Motion) type arm that realizes a pivot (fixed point) motion by arranging a remote rotation center at a position away from the drive rotation center.
  • RCM Remote Center of Motion
  • FIG. 39 shows a configuration example of a surgical robot capable of mounting only one surgical tool unit, it is a type of surgical robot capable of performing laparoscopic surgery by mounting a plurality of surgical tool units at the same time. The same can be applied to robots.
  • FIG. 40 shows an example of an external configuration of an operation unit 4000 using the surgical instrument unit according to the present embodiment.
  • the operation unit 4000 includes a handle portion 4001 that the user directly holds and operates, and the surgical tool unit 4002 is mounted on the tip of the handle portion 4001.
  • the surgical instrument unit 4002 may be replaceable.
  • the handle portion 4001 may include a joystick 4003 that can be operated with a thumb to indicate the posture of the tip portion of the surgical tool unit of the surgical tool unit 4002 in an arbitrary direction. Further, the handle portion 4001 may include a button 4004 that can be operated with an index finger to instruct the opening / closing operation of the jaw.
  • a controller (not shown) may be mounted in the handle portion 4001.
  • the angle ⁇ grip is calculated, converted into the rotation amount of each motor, and the control signal to the surgical instrument unit drive unit 103 is output.
  • the rotation around the second axis parallel to the roll axis of the roll unit 402 has a degree of freedom at the distal end (however, the degree of freedom in gripping the jaw is excluded), so that the bandwidth is widened.
  • the pitch unit 401 has a rotational degree of freedom of about ⁇ 80 degrees around the first axis parallel to the pitch axis
  • the roll unit 402 has a rotational degree of freedom of about ⁇ 150 degrees around the second axis.
  • the opening angle ⁇ grip of the pair of jaws 405a and 405b is the displacement of the shaft 102 of the first outward path cable C1a and the first return path cable C1b in the longitudinal axis direction. It is determined by the difference (see, for example, equation (7) above).
  • the rotation angle ⁇ roll around the second axis of the roll unit 402 is determined by the difference in displacement of the shaft 102 of the second outward cable C2a and the second return cable C2b in the longitudinal axis direction (for example, the above equation). (8)).
  • the turning angle ⁇ pitch around the first axis of the pitch unit 401 is the average value of the displacements of the shafts 102 of the first reciprocating cable sets C1a and C1b and the second reciprocating cable sets C2a and C2b in the longitudinal axis direction. It is determined by the difference between (see, for example, equation (6) above).
  • control model of the surgical instrument unit 100 is simple. Therefore, control is easy when the surgical instrument unit 100 is applied to a surgical robot (see FIG. 39), and an operator operation when the surgical instrument unit 100 is applied to an operation unit (see FIG. 40). Is easy.
  • the surgical tool unit 100 is equipped with a strain detecting element in the roll unit 402 (see FIGS. 37 and 38), and can detect an external force applied to the jaw at the tip. Even in this case, the dimension from the first shaft to the jaw at the tip can be designed to be short.
  • the present specification has mainly described embodiments in which the technique according to the present disclosure is applied to surgical tools used in surgical robots, the gist of the technique according to the present disclosure is not limited to this.
  • the technology according to the present disclosure can be applied to robots in various fields other than medical treatment, such as precision work robots. Further, the technique according to the present disclosure can be applied to a grip type operation unit and a precision work apparatus that can be operated while being held by a user.
  • the technology according to the present disclosure can also have the following configuration.
  • the gripping unit supports a rod through which the roll unit is inserted in the second axial direction.
  • the pair of jaws are supported by an opening / closing shaft near the lower end of the roll unit, and include a cam that converts a linear motion of the rod in the second axial direction into a motion in the opening / closing direction.
  • the first reciprocating cable set has a portion fixed to the gripping unit, and is arranged so as to be folded back in the second axial direction via a gripping pulley provided on the roll unit.
  • the second reciprocating cable set is wound around a roll capstan provided on the roll unit.
  • the outbound cable and the inbound cable of the second reciprocating cable set overlap each other by 180 degrees around the second axis from opposite directions, and are separated in the height direction of the second axis. Wrapped around the roll capstan to prevent contact, The surgical tool according to (7) above.
  • the first idler pulley portion has a first idler pulley that rotates around the first axis, and a first idler pulley that has a rotation axis adjacent to the first idler pulley and parallel to the first axis.
  • Including the adjacent idler pulley of The second idler pulley portion includes a second idler pulley that rotates around the first axis and a second adjacent idler that has a rotation axis adjacent to the second idler pulley and parallel to the first axis.
  • Including pulley The surgical tool according to (9) above.
  • the second reciprocating cable set is wound around the second idler pulley from a direction opposite to the direction in which the first reciprocating cable set is wound around the first idler pulley. ing, The surgical tool according to (10) above. (12) A first actuator that rotates the first drive capstan to pull the first reciprocating cable set in the longitudinal axis direction of the shaft, and A second actuator that rotates the second drive capstan and pulls the second reciprocating cable set in the longitudinal axis direction of the shaft. The surgical tool according to (11) above.
  • a first slide base that fixes the first actuator and the first drive capstan and slides in the longitudinal axis direction of the shaft
  • a second slide base that fixes the second actuator and the second drive capstan and slides in the longitudinal axis direction of the shaft
  • a third actuator that rotates the third drive capstan
  • a third reciprocating cable set each end of which is fixed to the first slide base and the second slide base, and wound around the third drive capstan. With more The rotation of the third drive capstan generates the advance / retreat motion of the first slide base and the second slide base.
  • the surgical tool With the shaft A pitch unit rotatably connected to the tip of the shaft around the first axis, A roll unit rotatably supported around the second axis with respect to the pitch unit, and A gripping unit supported so as to be linearly movable in the second axial direction with respect to the roll unit, Surgery support system equipped with.
  • a surgical tool and a handle portion to which the surgical tool is attached are provided.
  • the surgical tool With the shaft A pitch unit rotatably connected to the tip of the shaft around the first axis, A roll unit rotatably supported around the second axis with respect to the pitch unit, and A gripping unit supported so as to be linearly movable in the second axial direction with respect to the roll unit, A surgical operation unit equipped with.

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Abstract

鉗子などの開閉型のエンドエフェクタを有し、小型且つ軽量に構成される術具を提供するために、術具は、シャフト（１０２）と、前記シャフト（１０２）の先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニット（４０１）と、前記ピッチユニット（４０１）に対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニット（４０２）と、前記ロールユニット（４０２）に対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニット（４０３）を具備し、前記ロールユニット（４０２）の前記第２軸方向の下端に取り付けられ、前記把持ユニット（４０３）の前記第２軸方向の直動運動に連動して開閉動作する一対のジョー（４０５ａ、４０５ｂ）をさらに備える。

Description

術具、手術支援システム、並びに手術用操作ユニット
　本明細書で開示（以下、「本開示」とする）する技術は、例えば手術用ロボットに適用される術具、手術支援システム、並びに手術用操作ユニッに関する。
　近年のロボティクス技術の進歩は目覚ましく、さまざまな産業分野の作業現場にロボティクス技術が広く浸透してきている。例えば医療分野では、マスタスレーブ方式の手術用ロボットが普及しつつある。この種の手術用ロボットは、スレーブ装置が備える１又は複数の術具を、術者などのオペレータがマスタ側から操作するように構成されている。また、マスタスレーブシステムの制御方式として、マスタ装置からスレーブ装置を操作すると同時にスレーブ装置の状態をマスタ装置にフィードバックするバイラテラル方式が知られている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
　スレーブ装置に装着される術具は、先端に鉗子などの開閉機構を有するエンドエフェクタが搭載されている。また、術具が体腔内や体表などにおける施術で使用されることを想定して、先端は多自由度を備えつつ細径で小型且つ軽量であることが強く望まれている。具体的には、術具先端は、回転２自由度と開閉自由度の合計３自由度を持っていることが望ましい。また、小型化のため、術具先端の操作にはケーブルを用いた駆動方式が適用されることが多い（例えば、特許文献２～４を参照のこと）。
特開２０１９－３４００２号公報 特開平０９－５４２６７１号公報 特表２０１８－５３４１００号公報 特表２０１９－５０１６９９号公報 ＷＯ２０１８／１６３６８０
　本開示に係る技術の目的は、鉗子などの開閉型のエンドエフェクタを有し、小型且つ軽量に構成される、手術用ロボットに適用される術具、手術支援システム、並びに手術用操作ユニットを提供することにある。
　本開示に係る技術の第１の側面は、
　シャフトと、
　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
を具備する術具である。
　第１の側面に係る術具は、前記ロールユニットの前記第２軸方向の下端に取り付けられ、前記把持ユニットの前記第２軸方向の直動運動に連動して開閉動作する一対のジョーをさらに備える。
　前記把持ユニットは、第１のモータが第１の駆動キャプスタンを回転させたときに発生する第１の往復のケーブルセットの牽引力によって、前記第２軸方向に直動し、この直動運動に連動して前記一対のジョーが開閉動作する。また、前記ロールユニットは、第２のモータが第２の駆動キャプスタンを回転させたときに発生する第２の往復のケーブルセットの牽引力によって、前記第２軸回りに旋回動作する。
　また、第３のモータが第３の駆動キャプスタンを正方向又は逆方向に回転させたときに、前記第１の往復のケーブルセットと第２の往復のケーブルセットのいずれかを前記シャフトの長手軸方向に牽引し、これによって前記ピッチユニットは前記第１軸回りに旋回動作する。
　また、本開示に係る技術の第２の側面は、
　術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
　前記術具は、
　シャフトと、
　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
を備える、手術支援システムである。
　また、本開示に係る技術の第３の側面は、
　術具と、前記術具を取り付けたハンドル部を具備し、
　前記術具は、
　シャフトと、
　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
を備える、手術用操作ユニットである。
　本開示に係る技術によれば、鉗子などの開閉型のエンドエフェクタを有し、部品点数を削減して細径化を実現する、手術用ロボットに適用される術具、手術支援システム、並びに手術用操作ユニットを提供することができる。
　なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本開示に係る技術によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本開示に係る技術が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。
　本開示に係る技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
図１は、術具ユニット１００の外観構成例を示した図である。 図２は、術具ユニット１００の外観構成例を示した図である。 図３は、術具ユニット１００の６面図である。 図４は、術具ユニット先端部１０１を拡大して示した図である。 図５は、術具ユニット先端部１０１を拡大して示した図である。 図６は、術具ユニット先端部１０１の分解図である。 図７は、術具ユニット先端部１０１を拡大して示した図（但し、ピッチユニット４０１及びシャフト１０２を透明に描いている）である。 図８は、術具ユニット先端部１０１の６面図である。 図９は、ロールユニット４０２、把持ユニット、ロッド４０４、並びに一対のジョー４０５ａ及び４０５ｂを示した図である。 図１０は、ロールユニット４０２、把持ユニット、ロッド４０４、並びに一対のジョー４０５ａ及び４０５ｂの断面を示した図である。 図１１は、ロッド４０４の下端及び１対のジョー４０５ａ及び４０５ｂの拡大断面図である。 図１２は、術具ユニット先端部１０１の第１軸付近を拡大して示した図である。 図１３は、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂが把持ユニット４０３に固定される仕組みを示した図である。 図１４は、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びｃ２ｂがロールユニット４０２に固定される仕組みを示した図である。 図１５は、術具ユニット駆動部１０３内におけるアクチュエータの配置例を示した図である。 図１６は、ジョー４０５ａ及び４０５ｂが開閉動作する様子を示した図である。 図１７は、ジョー４０５ａ及び４０５ｂが開閉動作する様子を示した図である。 図１８は、ジョー４０５ａ及び４０５ｂが開閉動作する様子を示した図である。 図１９は、ロールユニット４０２が第２軸回りに回転動作する様子を示した図である。 図２０は、ロールユニット４０２が第２軸回りに回転動作する様子を示した図である。 図２１は、ロールユニット４０２が第２軸回りに回転動作する様子を示した図である。 図２２は、ロールユニット４０２が第２軸回りに回転動作する様子を示した図である。 図２３は、ロールユニット４０２が第２軸回りに回転動作する様子を示した図である。 図２４は、ピッチユニット４０１が第１軸回りに旋回動作する様子を示した図である。 図２５は、ピッチユニット４０１が第１軸回りに旋回動作する様子を示した図である。 図２６は、ピッチユニット４０１が第１軸回りに旋回動作する様子を示した図である。 図２７は、ピッチユニット４０１が第１軸回りに旋回動作する様子を示した図である。 図２８は、ピッチユニット４０１が第１軸回りに旋回動作する様子を示した図である。 図２９は、術具ユニット先端部１０１において３軸を同時駆動する様子を示した図である。 図３０は、術具ユニット先端部１０１において３軸を同時駆動する様子を示した図である。 図３１は、術具ユニット先端部１０１において３軸を同時駆動する様子を示した図である。 図３２は、ピッチユニット４０１が第１軸回りに旋回する動作例を示した図である。 図３３は、ロールユニット４０２が第２軸回りに回転する動作例を示した図である。 図３４は、ジョー４０５ａ及び４０５ｂの把持動作例を示した図である。 図３５は、ジョーの旋回動作例を示した図である。 図３６は、ジョーの旋回動作例を示した図である。 図３７は、変形例に係るロールユニット３７００の断面を示した図である。 図３８は、ＦＢＧセンサーを適用したロールユニット３７００の断面構成例を示した図である。 図３９は、術具ユニットを利用した手術用ロボット３９００の外観構成例を示した図である。 図４０は操作ユニット４０００の外観構成例を示した図である。
　以下、図面を参照しながら本開示に係る技術について、以下の順に従って説明する。
Ａ．術具ユニットの課題
Ｂ．術具ユニットの構成例
Ｃ．術具ユニットの動作
Ｄ．ロールユニットの変形例
Ｅ．術具ユニットの変形例
Ｆ．術具ユニットの応用例
Ｇ．効果
Ａ．術具ユニットの課題
　手術用ロボットに適用される術具は、先端に回転２自由度と開閉自由度の合計３自由度を持っていることが望ましい。例えば、一対のジョーからなる開閉型のエンドエフェクタと、このエンドエフェクタを支持するリストと、長手軸を有し先端部にリストを連結させるシャフトを備えるタイプの術具が知られている。この種の術具は、シャフトの先端に対してリストを例えばヨー軸回りに旋回させる第１軸と、リストに対してエンドエフェクタの向きを例えばピッチ軸回りに旋回させる第２軸と、ジョーを開閉操作する第３軸（開閉軸）、という自由度構成を備えている（例えば、特許文献２～４を参照のこと）。このような自由度構成の場合、各リンクの可動域制限により、第１軸及び第２軸ともに±９０度程度の動作が限界である。
　腹腔鏡手術のようにトロッカーを通過して体腔内に挿入して使用することが想定される術具の場合、先端を細径化する必要から、上記のようにシャフトの先端に対してリストを例えばヨー軸回りに旋回させる第１軸と、リストに対してエンドエフェクタの向きを例えばピッチ軸回りに旋回させる第２軸を備えた構成が適している。
　これに対し、体表又は体表付近での手術に使用される術具の場合、先端の細径化に関する制約は緩和される一方、広可動域化が要求される。
　そこで、本明細書では、先端に回転２自由度と開閉自由度の合計３自由度を有し、広可動域化を実現する術具ユニットについて、以下で提案する。本開示に係る術具ユニットは、例えば体表又は体表付近での手術に使用されることを想定しているが、広可動域化を実現することを１つの目的とする。
　具体的には、本開示に係る術具ユニットは、長手軸を有するシャフトと、ピッチユニットと、ロールユニットと、把持ユニットを備えている。シャフトは、先端部にてピッチユニットを、ピッチ軸に平行な第１軸回りに旋回可能に支持する。また、ピッチユニットは、ロールユニットを、ロール軸に平行な第２軸を中心に回動可能に支持する。また、ロールユニットは、開閉操作可能な一対のジョーを備えた把持ユニットを支持してもよい。したがって、本開示に係る術具ユニットは、シャフトの先端に対してピッチユニットが第１軸回りに旋回する回転自由度と、ピッチユニットに指示されたロールユニットが第２軸を中心に回動する回転自由度と、一対のジョーの開閉自由度からなる３自由度を備えている。
　後述するように、本開示に係る術具ユニットは、ピッチユニットの第１軸回りの±８０度、並びにロールユニットの第２軸回りの－１４０～１５０度の可動域を持ち、例えば体表又は体表付近での手術に使用される場合に十分に広い可動域ということができる。なお、一対のジョーの最大開閉角度は例えば２０度である。
　以下で説明する実施形態では、ピッチユニット、ロールユニット、及び把持ユニット（若しくは、ジョー）の駆動には、ケーブルによる牽引力を使用するものとする。すなわち、シャフトの根元側（近位端側）に配置した各アクチュエータの動力を、ケーブルを使って先端側（遠位端側）のピッチユニット、ロールユニット、及び把持ユニットに伝達する。
　また、ケーブルを使った動力伝達機構では、ケーブルに動力を加え又はケーブルからの力を軸力に変換するためのキャプスタンや、シャフト内でのケーブルのレイアウト調整並びにケーブルに一定の張力を付与する目的で使用されるアイドラプーリなど、複数のプーリが使用されてもよい。
Ｂ．術具ユニットの構成例
　図１及び図２には、本開示に係る術具ユニットの外観構成例を示している。また、図３には、術具ユニットの６面図を示している。図示の術具ユニット１００は、長手軸を有する中空のシャフト１０２と、シャフト１０２の一端の術具ユニット先端部１０１と、シャフト１０２の他端の術具ユニット駆動部１０３を備えている。図１には、術具ユニット１００を斜視した様子を示し、図２には、シャフト１０２及び術具ユニット駆動部１０３を透明にして内部を可視化して描いている。
　術具ユニット先端部１０１は、シャフト１０２に対しピッチ軸と平行な第１軸回りに旋回可能なピッチユニットと、ピッチユニットによってロール軸に平行な第２軸を中心に回動可能に支持されるロールユニットと、ロールユニットによって支持された把持ユニットを含んでいる。把持ユニットは、開閉操作可能な一対のジョーを備えている。但し、第２軸は第１軸からオフセットさせた位置に配置されている。
　術具ユニット先端部１０１の各可動部は、ケーブルの牽引力によって駆動される。また、術具ユニット駆動部１０３には、各ケーブルを牽引するためのアクチュエータが配置されている。本実施形態では、アクチュエータとして電磁回転モータを使用する。図２に示すように、シャフト１０２には、術具ユニット先端部１０１のピッチユニット、ロールユニット、及び把持ユニットをそれぞれ駆動するための複数本のケーブルが挿通されている。また、術具ユニット駆動部１０１には、ピッチユニット、ロールユニット、及び把持ユニットの各々を駆動用のケーブルを牽引するための３個のモータが配置されている。
　図４及び図５には、術具ユニット先端部１０１を拡大して示している（但し、図４と図５で、眺める方向を切り替えている）。また、図６には、術具ユニット先端部１０１の分解図を示している。図６に示すように、術具ユニット先端部１０１は、ピッチユニット４０１と、ロールユニット４０２と、把持ユニット４０３と、ロッド４０４と、ロッド４０４の下端に取り付けられた一対のジョー４０５ａ及び４０５ｂと、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを備えている。参考のため、図７には、ピッチユニット４０１及びシャフト１０２を透明にして、術具ユニット先端部１０１付近における各ケーブルのレイアウトを可視化して示している。また、図８には、術具ユニット先端部１０１の６面図を示している。なお、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを牽引するための各アクチュエータは、術具ユニット駆動部１０３内に配置されるが、この点の詳細については後述に譲る。
　図４に示すように、ピッチユニット４０１は、シャフト１０２の先端付近で、ピッチ軸と平行な第１軸回りに旋回可能となるように支持されている。図６及び図７から分かるように、ピッチユニット４０１は、ロール軸に平行な第２軸を回転中心に持つ中空円筒の形状を有している。そして、ロールユニット４０２はピッチユニット４０１の中空円筒の中に挿通され、この結果、ロールユニット４０２は、第２軸を中心に回動可能となるようにピッチユニット４０１に支持されている。ロールユニット４０２は、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂの牽引力によって第２軸回りに回動するが、この点の詳細については後述に譲る。
　図４に示すように、ロールユニット４０２の後背面には、第２軸の方向に、把持ユニット４０３の移動を規制するレールが形設されている。したがって、把持ユニット４０３は、このレールに沿って第２軸の方向（若しくは、上下方向）に所定の範囲で移動することができる。把持ユニット４０３は、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂの牽引力によって第２軸方向に移動するが、この点の詳細については後述に譲る。
　図９には、術具ユニット先端部１０１のうち、ロールユニット４０２、把持ユニット、ロッド４０４、並びに一対のジョー４０５ａ及び４０５ｂを取り出して示している。また、図１０には、ロールユニット４０２、把持ユニット、ロッド４０４、並びに一対のジョー４０５ａ及び４０５ｂの、第１軸に直交し且つ第２軸を含む平面で切った断面図を示している。
　ロールユニット４０２は、第２軸の方向に貫通する貫通穴を有し、ロッド４０４はこの貫通穴に挿通されている。ロッド４０４の上端部は、ベアリングを介して回動可能となるに把持ユニット４０３に支持されている。ベアリングは、第２軸方向に加わる荷重を支える構造を有し、ロッド４０４は、把持ユニット４０３に対して第２軸回りに回動可能であるが、第２軸方向に把持ユニット４０３に対して相対移動しないものとする。したがって、把持ユニット４０３がロールユニット４０２に対して第２軸の方向に相対的に直動すると、ロッド４０４も把持ユニット４０３とともにロールユニット４０２に対して第２軸の方向に直動する。
　図１１には、ロッド４０４の下端及び１対のジョー４０５ａ及び４０５ｂの拡大断面図を示している。
　ジョー４０５ａとジョー４０５ｂは、第２軸に対してほぼ対称的な形状を有している。ジョー４０５ａとジョー４０５ｂはいずれも、ロールユニット４０２の先端に形成された開閉軸１１０１回りに旋回可能である。また、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂには、開閉軸１１０１の後方に長穴溝１１０２がそれぞれ穿設されている。そして、ジョー４０５ａ及びジョー４０５ｂの各長穴溝１１０２には、ロッド４０４の先端に突設されたピン１１０３が挿入されている。ジョー４０５ａ及びジョー４０５ｂの各長穴溝１１０２の長手軸は第２軸に対して互いに反対方向に傾斜しており、各長手溝１１０２の壁面は第２軸方向の直動運動をジョー４０５ａ及びジョー４０５ｂの開閉方向の運動に変換するカムを構成している。
　上述したように、ロッド４０４は、把持ユニット４０３とともにロールユニット４０２に対して第２軸の方向に直動運動する。ピン１１０３は、ロッド４０４と一体となって、第２軸の方向（すなわち、紙面の上下方向）に往復運動する。ピン１１０３は各長溝穴１１０２内を摺動するように往復するため、ピン１１０３の現在位置で各長溝穴１１０２はロッド４０４（若しくは、第２軸）と交差している必要がある。また、ジョー４０５ａ及びジョー４０５ｂの各長穴溝１１０２の長手軸は第２軸に対して互いに反対方向に傾斜しており、各長穴溝１１０２の壁面がカムを構成している。したがって、ピン１１０３の第２軸方向の直動運動に応じて、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂは、開閉軸１１０１回りに互いに反対方向に回動する。これが、ロッド４０４の第２軸の方向の直動によってジョー４０５ａとジョー４０５ｂが開閉する仕組みである。但し、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂの開閉構造はこれに限定されるものではなく、他の機構を用いてロッド４０４の第２軸の方向の直動によってジョー４０５ａとジョー４０５ｂの開閉動作を実現するようにしてもよい。
　続いて、ケーブルの牽引力を利用して、ピッチユニット４０１の第１軸回りの旋回動作、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転動作、及びジョー４０５ａ及びジョー４０５ｂによる開閉動作を実現する仕組みについて、詳細に説明する。
　図４～図７に示したように、術具ユニット１００は、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを備えている。第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを牽引するための各アクチュエータは、術具ユニット駆動部１０３内に配置されるが、この点の詳細については後述に譲る。
　図１２には、術具ユニット先端部１０１の、第１軸付近の第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂが通過する部分を拡大して示している。また、図１３には、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂが把持ユニット４０３に固定される仕組みを示している。また、図１４には、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びｃ２ｂがロールユニット４０２に固定される仕組みを示している。
　図１３を参照すると、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂは、把持ユニット４０３に設けられたケーブル接続箇所１３０１で、把持ユニット４０３に固定されている。図４、図６、及び図１３を参照すると、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂは、互いに逆方向からピッチユニット４０１の背面で回動可能に支持されている把持プーリＧＰに巻き付けられて、Ｕの字を描いて折り返すようにレイアウトされている。
　また、図１２を参照すると、第１の往路のケーブルＣ１ａは、第２軸の方向に牽引されるが、第１軸を回転軸とする第１のアイドラプーリＩＰ１１ａによって第１軸に直交する方向に方向変換され、さらに第１のアイドラプーリＩＰ１１ａに隣接し第１軸と平行な回転軸を持つ第１の隣接アイドラプーリＩＰ１２ａによってシャフト１０２内を挿通するように、シャフト１０２内でのレイアウトが調整される。同様に、第１の復路のケーブルＣ１ｂは、第２軸の方向に牽引されるが、第１軸を回転軸とする第１のアイドラプーリＩＰ１１ｂによって第１軸に直交する方向に方向変換され、さらに第１のアイドラプーリＩＰ１１ｂに隣接し第１軸と平行な回転軸を持つ第１の隣接アイドラプーリＩＰ１２ｂによってシャフト１０２内を挿通するようにレイアウトが調整される。
　そして、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂは、シャフト１０２内を挿通した後、術具ユニット駆動部１０３内に配置されたアクチュエータによって牽引される。本実施形態では、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂは単一のモータ（第１のモータＭ１）によってケーブルループ方式により駆動されるが、詳細については後述に譲る。但し、第１の往路のケーブルＣ１ａと第１の復路のケーブルＣ１ｂをそれぞれ個別のモータで牽引するように構成することもできる。
　第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂはケーブル接続箇所１３０１で把持ユニット４０３に固定されている（前述）。したがって、第１の往路のケーブルＣ１ａを牽引すると、把持ユニット４０３は、ピッチユニット４０１の背面のレール（前述）に沿って第２軸の方向に上昇する。また、第１の復路のケーブルＣ１ｂを牽引すると、把持ユニット４０３は第２軸の方向に下降する。ロッド４０４は、先端部で把持ユニット４０３に支持されており（前述）、把持ユニット４０３とともに第２軸の方向の往復運動し、これによって、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂの開閉自由度が実現する。
　ロールユニット４０２は、第２軸方向の中間付近にロールキャプスタンＲＣを備えている。図６及び図１４を参照すると、第２の往路のケーブルＣ２ａと第２の復路のケーブルＣ２ｂは、互いに逆方向からロールキャプスタンＲＣに巻き付けられ、それぞれ端部でロールユニット４０２に固定されている。特に図１４を参照すると、第２の往路のケーブルＣ２ａと第２の復路のケーブルＣ２ｂは、第２軸回りに約１８０度だけ重なるようにロールキャプスタンＲＣに巻き付けられることによって、ロールユニット４０２の第２軸回りの±１５０度の可動域を実現する。
　ここで、図１２に示すように、ピッチユニット４０１には、第２の往路のケーブルＣ２ａと第２の復路のケーブルＣ２ｂが通過する付近にピンがそれぞれ凸設されている。各ピンの第２軸方向の高さはほぼ同じである。第２の往路のケーブルＣ２ａはピンの上側を通過してからロールキャプスタンＲＣに巻き付けられ、第２の復路のケーブルＣ２ｂはピンの下側を通過してからロールキャプスタンＲＣに巻き付けられている。したがって、第２の往路のケーブルＣ２ａと第２の復路のケーブルＣ２ｂは、第２軸の高さ方向には離間して接触しないようにして、第２軸回りには約１８０度だけ重なるようにロールキャプスタンＲＣに巻き付けられている（図１４を参照のこと）。その結果、ロールユニット４０２を第２軸回りに±１５０度だけ駆動する際に、第２の往路のケーブルＣ２ａと第２の復路のケーブルＣ２ｂが絡み合うことはない。
　また、図１２を参照すると、第２の往路のケーブルＣ２ａは、第２軸と直交する方向に牽引されるが、第１軸を回転軸とする第２のアイドラプーリＩＰ２１ａによって第１軸に直交する方向に方向変換され、さらに第２のアイドラプーリＩＰ２１ａに隣接し第１軸と平行な回転軸を持つ第２の隣接アイドラプーリＩＰ２２ａによってシャフト１０２内を挿通するようにレイアウトが調整される。同様に、第２の復路のケーブルＣ２ｂは、第２軸と直交する方向に牽引されるが、第１軸を回転軸とする第２のアイドラプーリＩＰ２１ｂによって第１軸に直交する方向に方向変換され、さらに第２のアイドラプーリＩＰ２１ｂに隣接し第１軸と平行な回転軸を持つ第２の隣接アイドラプーリＩＰ２２ｂによってシャフト１０２内を挿通するようにレイアウトが調整される。
　そして、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは、シャフト１０２内を挿通した後、術具ユニット駆動部１０３内に配置されたアクチュエータによって牽引される。本実施形態では、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは単一のモータ（第２のモータＭ２）によってケーブルループ方式により駆動されるが、詳細については後述に譲る。但し、第２の往路のケーブルＣ２ａと第２の復路のケーブルＣ２ｂをそれぞれ個別のモータで牽引するように構成することもできる。
　第２の往路のケーブルＣ２ａと第２の復路のケーブルＣ２ｂは互いに逆方向からロールユニット４０２に巻き付けられている（前述）。したがって、第２の往路のケーブルＣ２ａを牽引すると、ロールユニット４０２を第２軸回りに正転させることができる。また、第２の復路のケーブルＣ２ｂを牽引すると、ロールユニット４０２を第２軸回りに反転させることができる。これによって、術具ユニット先端部１０１の第２軸回りの回転自由度が実現する。
　なお、図７並びに図１２から分かるように、アイドラプーリＩＰ１１ａ、ＩＰ１１ｂ、ＩＰ２１ａ、ＩＰ２１ｂはすべて第１軸を回転軸とする。また、隣接アイドラプーリＩＰ１２ａ、ＩＰ１２ｂ、ＩＰ２２ａ、ＩＰ２２ｂはすべて第１軸に平行で同じ回転軸を持つ。そして、シャフト１０２内では、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂは上側を通過し、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは下側を通過するように、上記の各アイドラプーリによってレイアウトが調整されている。
　また、図４、図７、図１２などを参照すると、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂがアイドラプーリＩＰ１１ａ及びＩＰ１１ｂに巻き付けられている方向とは逆の方向から、アイドラプーリＩＰ２１ａ及びＩＰ２１ｂに巻き付けられている。このため、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂを牽引したとき（若しくは、シャフト１０２の長手軸方向に後退させたとき）と、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを後退させたときで、ピッチユニット４０１には第１軸回りに逆向きの回転力が加わることになる。
　したがって、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂのいずれかを選択的に牽引することによって、ピッチユニット４０１の第１軸回りに旋回動作させることができ、術具ユニット先端部１０１の第２軸回りの回転自由度が実現する。
Ｃ．術具ユニットの動作
　図１５には、術具ユニット駆動部１０３内におけるアクチュエータの配置例と、各アクチュエータによるケーブルの牽引方法を図解している。
　図１５に示すように、第１のモータＭ１と、第２のモータＭ２と、第３のモータＭ３を備えている。また、これら第１乃至第３のモータＭ１～Ｍ３の各出力軸には、駆動キャプスタンとしての第１乃至第３のモータキャプスタンＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３がそれぞれ取り付けられている。
　ここでは、第１乃至第３のモータＭ１～Ｍ３の各々に回転モータを使用することを想定しているが、減速機付きのモータであってもよい。第１乃至第３のモータＭ１～Ｍ３として、電磁回転モータを用いることが最良である。但し、駆動キャプスタンを回転させることができる他のタイプのアクチュエータで代替することも可能である。
　第１のモータキャプスタンＭＣ１には、アイドラプーリＩＰ１３ａ及びＩＰ１３ｂを経由して、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂが巻き付けられている。第１のモータＭ１は、第１のモータキャプスタンＭＣ１を正方向に回転させて、第１の往路のケーブルセットＣ１ａに牽引力を作用させることができる。この場合、把持ユニット４０３がピッチユニット４０１及びロールユニット４０２に対して上昇するので、ロッド４０４も第２軸方向に上昇して、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂを閉じる動作を実現することができる。また、第１のモータＭ１は、第１のモータキャプスタンＭＣ１を負方向に回転させて、第１の往復のケーブルセットＣ１ｂに牽引力を作用させる場合、把持ユニット４０３がピッチユニット４０１及びロールユニット４０２に対して下降するので、ロッド４０４も第２軸方向に下降して、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂを開く動作を実現することができる。要するに、第１のモータＭ１は、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂを開閉動作させる役割を持つ。
　図１６～図１８には、ジョー４０５ａ及び４０５ｂが開閉動作する様子を示している。図１６に示す例では、第１のモータＭ１で第１のモータキャプスタンＭＣ１を正方向に最大限に回転させて、第１の往路のケーブルＣ１ａの牽引力によって把持ユニット４０３及びロッド４０４を最大限に上昇させて、ジョー４０５ａ及び４０５ｂが閉じている。また、図１７に示す例では、把持ユニット４０３及びロッド４０４が少し下降して、ジョー４０５ａ及び４０５ｂの開き角度が１０度になっている。また、図１８に示す例では、第１のモータＭ１で第１のモータキャプスタンＭＣ１を負方向に最大限に回転させて、第１の復路のケーブルＣ１ｂの牽引力によって把持ユニット４０３及びロッド４０４を最大限に下降させて、ジョー４０５ａ及び４０５ｂの開き角度が２０度になっている。
　また、図１５を参照すると、第２のモータキャプスタンＭＣ２には、アイドラプーリＩＰ２３ａ及びＩＰ２３ｂを経由して、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂが巻き付けられている。したがって、第２のモータＭ２は、第２のモータキャプスタンＭＣ２を正方向に回転させて、第２の往復のケーブルセットＣ２ａに牽引力を作用させると、ロールユニット４０２を第２軸回りに正回転させることができる。また、第２のモータＭ２は、第２のモータキャプスタンＭＣ２を負方向に回転させて、第２の往復のケーブルセットＣ２ａに牽引力を作用させると、ロールユニット４０２を第２軸回りに逆回転させることができる。要するに、第２のモータＭ２は、ロールユニット４０２をロール軸に平行な第２軸回りに回転動作させる役割を持つ。
　図１９～図２３には、ロールユニット４０２が第２軸回りに回転動作する様子を示している。図１９に示す例では、第２のモータＭ２で第２のモータキャプスタンＭＣ２を正方向に最大限に回転させて、第２の往路のケーブルＣ２ａの牽引力によって、ロールユニット４０２を第２軸回りに１５０度だけ正回転させている。また、図２０～図２２では、第２のモータＭ２で第２のモータキャプスタンＭＣ２を負方向に徐々に回転させて、第２の復路のケーブルＣ２ｂの牽引力によって、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転角度を順に７５度、０度、－７５度に減少させている。また、図２３に示す例では、第２のモータＭ２で第２のモータキャプスタンＭＣ２を負方向に最大限に回転させて、第２の往路のケーブルＣ２ｂの牽引力によって、ロールユニット４０２を第２軸回りに－１４０度だけ逆回転させている。
　第３のモータＭ３は、ピッチユニット４０１をピッチ軸に平行な第１軸回りに回転動作させる役割を持つが、この点について詳細に説明する。
　既に述べたように、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂがアイドラプーリＩＰ１１ａ及びＩＰ１１ｂに巻き付けられている方向とは逆の方向から、アイドラプーリＩＰ２１ａ及びＩＰ２１ｂに巻き付けられている。このため、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂを牽引したとき（若しくは、シャフト１０２の長手軸方向に後退させたとき）と、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを後退させたときで、ピッチユニット４０１には第１軸回りに逆向きの回転力が加わる。
　したがって、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂのいずれかを選択的に牽引することによって、ピッチユニット４０１の第１軸回りに旋回動作させることができ、術具ユニット先端部１０１の第２軸回りの回転自由度が実現する。
　図１５を参照すると、第１のモータＭ１は、シャフト１０２の長手軸方向にスライド動作する第１のスライドベースＳＢ１上に支持され、第２のモータＭ２は、シャフト１０２の長手軸方向にスライド動作する第２のスライドベースＳＢ２上に支持されている。また、第３のモータキャプスタンＭＣ３には、第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂが第３のアイドラプーリＩＰ３ａ及びＩＰ３ｂを経由して巻き付けられている。そして、第３の往路のケーブルＣ３ａの他端は第１のスライドベースＳＢ１に固定され、第３の復路のケーブルＣ３ｂの他端は第２のスライドベースＳＢ２に固定されている。
　したがって、第３のモータＭ３は、第３のモータキャプスタンＭＣ３を正方向に回転させて、第３の往路のケーブルＣ３ａに牽引力を作用させることができる。この場合、第１のスライドベースＳＢ１がシャフト１０２の根元側（すなわち、近位端）に後退するとともに、第２のスライドベースＳＢ２がシャフト１０２の先端側（すなわち、遠位端）に前進する。すると、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂが後退するとともに第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂが前進することとなり、結果としてピッチユニット４０１は第１軸回りに正方向に回転する。
　逆に、第３のモータＭ３は、第３のモータキャプスタンＭＣ３を負方向に回転させて、第３の復路のケーブルＣ３ｂに牽引力を作用させることができる。この場合、第２のスライドベースＳＢ２がシャフト１０２の根元側（すなわち、近位端）に後退するとともに、第１のスライドベースＳＢ１がシャフト１０２の先端側（すなわち、遠位端）に前進する。すると、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂが前進するとともに第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂが後退することとなり、結果としてピッチユニット４０１は第１軸回りに負方向に回転する。
　図２４～図２８には、ピッチユニット４０１が第１軸回りに旋回動作する様子を示している。図２４に示す例では、第３のモータＭ３が正方向に最大限に回転して、第３の往路のケーブルＣ３ａの牽引力によって、第１のスライドベースＳＢ１を最大限に後退させる。その結果、ピッチユニット４０１は第１軸回りに８０度だけ旋回する。
　また、図２５～図２７では、第３のモータＭ３で第３のモータキャプスタンＭＣ３を負方向に徐々に回転させて、第３の復路のケーブルＣ３ｂの牽引力によって、第２のスライドベースＳＢ２を徐々に後退させる。その結果、ピッチユニット４０１は、第１軸回りに負方向に徐々に旋回して、旋回角度が順に４０度、０度、－４０度に減少していく。
　そして、図２８に示す例では、第３のモータＭ３が負方向に最大限に回転して、第３の復路のケーブルＣ３ｂの牽引力によって、第２のスライドベースＳＢ２を最大限に後退させる。その結果、ピッチユニット４０１は第１軸回りに－８０度だけ旋回する。
　また、術具ユニット先端部１０１における、ピッチユニット４０１の第１軸回りの旋回動作と、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転動作と、一対のジョー４０５ａ及び４０５ｂによる把持動作（若しくは、把持ユニット４０３の第２軸方向の直動動作）は、非干渉であり、３軸を同時に駆動することができる。
　図２９～図３１には、術具ユニット先端部１０１において３軸を同時駆動する様子を示している。
　図２９に示す例では、第３のモータＭ３で第３のモータキャプスタンＭＣ３を正方向に回転させて、第３の往路のケーブルＣ３ａの牽引力によって第１のスライドベースＳＢ１を後退させることによって、ピッチユニット４０１を第１軸回りに４０度だけ旋回させている。
　また、図３０に示す例では、ピッチユニット４０１が第１軸回りに４０度だけ旋回した状態で、さらにジョー４０５ａ及び４０５ｂを開き角度２０度まで開く。この場合、第１のモータＭ１で第１のモータキャプスタンＭＣ１を負方向に回転させることによって、第１の復路のケーブルセットＣ１ｂを牽引する。その結果、ロッド４０４が第２軸方向に下降するので、ジョー４０５ａ及び４０５ｂが開く動作が生成される。
　また、図３１に示す例では、ピッチユニット４０１が第１軸回りに４０度だけ旋回し、且つジョー４０５ａ及び４０５ｂを開き角度２０度まで開いた状態で、さらにロールユニット４０２を第２軸回るに４５度だけ正方向に旋回させる。この場合、第２のモータＭ２で第２のモータキャプスタンＭＣ２を正方向に回転させて、第２の往路のケーブルＣ２ａの牽引力によって、ロールユニット４０２が第２軸回りに４５度だけ正回転する動作が生成される。
　術具ユニット先端部１０１の動作方法についてまとめておく。
第１軸における動作：
　第３のモータＭ３で第３のモータキャプスタンＭＣ３を回転させると、第３の往復のケーブルセットＣ３ａ及びＣ３ｂのいずれかに牽引力を発生させて、第１のスライドベースＳＢ１及び第２のスライドベースＳＢ２シャフト１０２の長手軸方向に進退動作させることができる。これによって、第１の往路のケーブルＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂのいずれか一方が前進動作し他方が後退動作するので、図２４～図２８に示したように、ピッチユニット４０１を第１軸回りに正方向又は逆方向に旋回させることができる。
第２軸における動作：
　第２のモータＭ２で第２のモータキャプスタンＭＣ２を回転させると、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂのいずれかに牽引力を発生させて、ロールユニット４０２を第２軸回りに正方向及び逆方向に回転動作させることができる。これによって、把持ユニット４０３の第２軸回りの回転動作が生成される。
把持動作：
　ジョー４０５ａ及び４０５ｂは、ロールユニット４０２の先端に形成された開閉軸１１０１回りに旋回可能であり、ロッド４０４の第２軸方向の直動動作に従って互いに逆向きに開閉軸１１０１回りに旋回する。そして、第１のモータＭ１で第１のモータキャプスタンＭＣ１を回転させると、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂのいずれかに牽引力を発生させて、ロッド４０４を第２軸方向に上昇又は下降させることによって、ジョー４０５ａ及び４０５ｂの開閉動作が生成される。
　続いて、第１乃至第３のモータＭ１～Ｍ３の動作と術具ユニット先端部１０１の動作の関係について説明する。
　図３２には、ピッチユニット４０１が第１軸回りに旋回する動作例を示している。但し、同図は、術具ユニット先端部１０１を第１軸に平行な方向から眺めた図である。同図に示すように、第１軸を回転軸とする各アイドラプーリプーリＰ１１ａ、Ｐ１１ｂ、Ｐ２１ａ、Ｐ２１ｂの半径をＲpitchとし、ピッチユニット４０１の第１軸回りの旋回角度をθpitchとする。また、ケーブルのシャフト１０２の長手軸方向における所定の基準位置からの変位量をＸとする。
　また、図３３には、ロールユニット４０２（若しくは、ジョー４０５ａ及び４０５ｂ）が第２軸回りに回転する動作例を示している。但し、同図は、術具ユニット先端部１０１を第２軸に平行な方向から眺めた図である。同図に示すように、ロールキャプスタンＲＣのプーリ半径をＲrollとし、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転角度をθrollとする。
　また、図３４には、ジョー４０５ａ及び４０５ｂが開閉軸回りに旋回して開閉する把持動作例を示している。但し、同図は、術具ユニット先端部１０１を第１軸に平行な方向から眺めた図である。図１１を参照しながら既に説明したように、ロッド４０４の第２軸方向の直動運動に応じてジョー４０５ａ及び４０５ｂが開閉動作する。ジョー４０５ａ及び４０５ｂの開き角度をθgripとする。
　図３５には、ジョーの開閉軸と、ジョーに穿設された長溝穴内を摺動するロッド４０４の先端のピンの位置関係を示している。図３５中、左側はジョー全体を示し、右側は開閉軸付近を拡大して示している。但し、同図ではジョー４０５ａの例を示しているが、ジョー４０５ｂについても同様とする。同図は、ジョー４０５ａ及び４０５ｂが閉じた状態を示している。ジョー４０５ａ及び４０５ｂが閉じたときの、開閉軸の中心からロッド４０４（図３５には図示しない）の先端のピンまでの距離をｘ0とし、長溝穴の長軸の第２軸に対する傾き角度をα0とする。また、開閉軸の中心からロッド４０４の先端のピン間を結ぶ距離ｘ0の線分を斜辺とする直角三角形の高さをＬとする。
　ジョーに穿設された長溝穴の壁面はカム面を構成し、ロッド４０４の先端端のピンは長溝穴の壁面に沿って摺動する。上述したように、把持ユニット４０３が上昇してロッド４０４も第２軸方向に上昇すると、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂを閉じる動作を実現する。逆に、把持ユニット４０３が下降してロッド４０４も第２軸方向に下降すると、ジョー４０５ａとジョー４０５ｂを開く動作を実現する。図３６には、ロッド４０４（図３６には図示しない）が第２軸方向に下降して、開閉軸の中心からロッド４０４の先端のピンまでの距離がｘ0からｘに変位した様子を示している。図３６中、左側はジョー全体を示し、右側は開閉軸付近を拡大して示している。このときのジョーの開き角度をθgrip／２とし、長溝穴の長軸の第２軸に対する傾き角度をαとする。また、開閉軸の中心からロッド４０４の先端のピン間ｘを斜辺とする直角三角形の高さはＬである。このとき、ロッド４０４の第２軸方向の変位（ｘ0－ｘ）は、下式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　再び図３２～図３４を参照する。第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂ、並びに第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂは、第１乃至第３のモータＭ１～Ｍ３の駆動により、シャフト１０２の長手軸方向にそれぞれ進退する。以下では、各ケーブルのシャフト１０２の長手軸方向における所定の基準位置からの変位量をそれぞれＸC1a、ＸC1b、ＸC2a、ＸC2bとする。
　各ケーブルの変位量ＸC1a、ＸC1b、ＸC2a、ＸC2bと、ピッチユニット４０１の第１軸回りの旋回角度θpitch、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転角度θroll、及びジョー４０５ａ及び４０５ｂの開き角度θgripとの関係は、それぞれ下式（２）～（５）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上式（２）及び（３）の右辺第２項及び第３項は、上式（１）に示したロッド４０４の第２軸方向の変位量に相当する。
　また、ピッチユニット４０１の第１軸回りの旋回角度θpitch、ジョー４０５ａ及び４０５ｂの開き角度θgrip、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転角度θrollは、それぞれ下式（６）～（８）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　したがって、上式（６）～（８）に基づいて第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂを所定量だけ変位させることで、各軸の所望の角度を実現することができる。
　上式（７）から、ジョー４０５ａ及び４０５ｂの開き角度θgripは、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂの変位量ＸC1a、ＸC1bのみが関与することが分かる。同様に、上式（８）から、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転角度θrollは、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂの変位量ＸC2a、ＸC2bのみが関与することが分かる。
　また、上式（６）から、ピッチユニット４０１の第１軸回りの旋回角度θpitchは、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂの変位量ＸC1a、ＸC1bと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂの変位量ＸC2a、ＸC2bの差分から決まることが分かる。
Ｄ．ロールユニットの変形例
　図３７には、変形例に係るロールユニット３７００の断面を示している。図示のロールユニット３７００は、上述した「ロールユニット４０２」に内側の術具シャフト部３７０１と、外側の術具カバー部３７０２に分割されている。術具シャフト部３７０１は、中空円筒形状をなし、内部にロッド４０４を挿通させている。また、術具カバー部３７０２は、術具シャフト部３７０１以上の内径を有する中空円筒形状をなし、内部に術具シャフト部３７０１を挿通させている。また、術具カバー部３７０２の外周にはロールキャプスタンＲＣが形設され、第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂ（図３７では図示しない）が巻き付けられている。また、図３７中で、点線の丸で囲った部分で、術具シャフト部３７０１の外周と術具カバー部３７０２の内壁面が接合している。この接合部分を介して、術具カバー部３７０２から術具シャフト部３７０１へ、第２軸回りの回転力が伝達される。
　点線の丸で囲った接合部よりも先端側（遠位端側）では、術具シャフト部３７０１の外周と術具カバー部３７０２の内壁面はわずかに離間して、スペースが存在する。このスペースを利用して、術具シャフト部３７０１の外周の数箇所に歪み検出素子３７０３が取り付けられている。そして、各歪み検出素子３７０３の検出信号を演算処理して、術具先端のジョー４０５ａ及び４０５ｂに加わる外力を算出することができる。点線の丸で囲った接合部までは、術具シャフト部３７０１の外周と術具カバー部３７０２の内壁面は接触していないので、歪み検出素子３７０３の取り付け位置では、術具先端のジョー４０５ａ及び４０５ｂ以外の外力が加わらないようになっている。
　図３７に示す例では、術具シャフト部３７０１の表面上でロール軸に直交する方向（仮に、「Ｙ方向」とする）の対辺に、一対の歪み検出素子３７０３ａ及び３７０３ｂが取り付けられている。このような場合、一対の歪み検出素子３７０３ａ及び３７０３ｂの各検出信号を演算処理することによって、術具シャフト部３７０１のＹ方向の歪み量を算出することができ、この歪み量をジョー４０５ａ及び４０５ｂに対してＹ方向に加わる外力に換算することができる。また、ジョー４０５ａ及び４０５ｂに対してＸ方向に加わる外力も計測したい場合には、術具シャフト部３７０１の表面上のＸ方向の対辺にも同様に一対の歪み検出素子（図３７には図示しない）を取り付けて測定を行うようにすればよい。なお、術具シャフト部３７０１の、各歪み検出素子３７０３ａ及び３７０３ｂを配設した箇所に起歪体構造を形成するようにしてもよい。
　ここで、歪み検出素子３７０３ａ及び３７０３ｂには、例えば、静電容量式センサー、半導体歪みゲージ、箔歪みゲージなど、当業界で広く知られている検出素子を用いることができる。
　また、歪み検出素子３７０３ａ及び３７０３ｂには、光ファイバーを利用して製作されるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ）センサーを用いてもよい。ここで、ＦＢＧセンサーは、光ファイバーの長軸に沿って回折格子（グレーティング）を刻んで構成されるセンサーであり、作用力によって生じる歪みや温度の変化に伴う膨張又は収縮による回折格子の間隔の変化を、所定波長帯（ブラッグ波長）の入射光に対する反射光の波長の変化として検出することができる（周知）。そして、ＦＢＧセンサーから検出された波長の変化を、原因となる歪みや応力、温度変化に換算することができる。光ファイバーを利用したＦＢＧセンサーは伝送損失が小さい（外界からのノイズが乗り難い）ことから、想定される使用環境下でも検出精度を高精度に保つことができる。また、ＦＢＧセンサーは、医療に必要な滅菌対応や強磁場環境下対応を採り易いという利点もある（例えば、特許文献５を参照のこと）。
　図３８には、歪み検出素子にＦＢＧセンサーを利用した場合の、ロールユニット３７００の断面構成例を示している。図示の例では、ロールユニット３７００の上端面から、術具シャフト部３７０１の外周と術具カバー部３７０２の内壁面の間のスペースを利用して、２本の光ファイバー３８０１及び３８０２がロール軸方向に挿入されている。そして、２本の光ファイバー３８０１及び３８０２は、Ｙ方向の対辺に配置されている。そして、各光ファイバー３８０１及び３８０２のそれぞれ参照番号３８０３及び３８０４で示す箇所にはグレーティングが刻設されており、歪み検出素子として動作することができる。なお、術具シャフト３７０１の、グレーティング３８０３及び３８０４付近には、起歪体構造を形成するようにしてもよい。
Ｅ．術具ユニットの変形例
Ｅ－１．ケーブルを駆動する方法の変形例
　第１乃至第３のモータＭ１～Ｍ３として、電磁回転モータを用いることが最良である。但し、駆動キャプスタンを回転させることができる他のタイプのアクチュエータで代替することも可能である。ケーブルを牽引するアクチュエータの他の変形性として、例えば、さらに以下を挙げることができる。
・ピエゾ式直動型超音波モータ
・ピエゾ式回転型超音波モータ
・油圧式直動モータ
・油圧式回転モータ
・高分子直動アクチュエータ
・電磁式式直動モータ
・形状記憶合金
　また、いずれのタイプのアクチュエータを採用するにせよ、アクチュエータに減速機や位置検出器、非常用のブレーキ機構を装備するようにしてもよい。ここで、減速機として、例えば、ギア式減速機、波動歯車減速機、郵政歯車減速機、不思議郵政歯車減速機、ケーブル減速機、トラクション減速機、ボールねじ、滑りねじ、ウォームギアなどを挙げることができる。また、位置検出器として、例えば、磁気式エンコーダ、光学式エンコーダ、ポテンショメータなどを挙げることができる。
Ｅ－２．ジョーの形状の変形例
　各図では、便宜上、ジョーを比較的簡単な形状で描いた。現実には、術具ユニットの用途に応じて、ジョーの形状を変更してもよい。例えば、以下を挙げることができる。
・鉗子
・バイポーラ式鉗子
・鋏
・ステープラー
Ｅ－３．シャフトの変形例
　シャフト１０２は、理想的には剛体であるが、軟性内視鏡のような弾性体であってもよい。また、各図では、簡素化のため、単純な中空円筒形状をしたシャフト１０２を描いたが、必ずしも円筒形状である必要はない。例えば、シャフト１０２の断面が多角形形状や楕円形状であってもよいし、長手軸方向の途中で断面形状が切り替わってもよい。
Ｅ－４．ケーブルの変形例
　ケーブルは、金属線を束ねたもの、樹脂を束ねたもの、あるいは金属線と樹脂など複数の素材を織り交ぜたものでもよい。また、シャフト１０２内部などに配置され、湾曲を必要としないケーブルの箇所には剛性が高い金属製のシャフト１０２を用い、湾曲を有する箇所に用いられる柔軟なケーブルと連結して、１本のケーブルを構成するようにしてもよい。ケーブルの代替品として、例えば、以下を挙げることができる。
・金属製又は樹脂製のワイヤ
・細径の金属製又は樹脂製の細線を編み込んだワイヤ
Ｅ－５．アイドラプーリの変形例
　上記では、ケーブルのレイアウト調整のためにアイドラプーリを使用する例について説明してきた。アイドラプーリを用いれば、ケーブルを牽引する際の摺動摩擦を低減して滑らかな動作を実現することができる。摺動摩擦を低下させたい場合には、回転軸受を備えたアイドラプーリを使用してもよい。
　他方、アイドラプーリを使用すると、機構のサイズが膨らみ、部品点数が増えるという問題がある。そこで、術具ユニット先端部１０１のさらなる小型化のために、アイドラプーリを使用せず、機構に形設した案内溝に沿ってケーブルをレイアウトするようにしてもよい。
Ｆ．術具ユニットの応用例
Ｆ－１．手術用ロボット（コンピュータ支援手術システム）への応用例
　図３９には、本実施形態に係る術具ユニットを利用した手術用ロボット３９００の外観構成例を示している。図示の手術用ロボット３９００は、多リンク構造からなるアーム３９０１を備え、そのアーム３９０１の先端に、術具ユニット３９０２が搭載されている。術具ユニット３９０２は、交換可能であってもよい。手術用ロボット３９００は、例えば腹腔鏡下手術に適用され、術具ユニット先端部１０１がトロッカー（図示しない）を経由して腹腔内に挿入して、患部の把持や切除といった施術が実施される。
　図示の手術用ロボット３９００は、例えばマスタスレーブシステムにおけるスレーブ装置として利用され、マスタ装置（図示しない）からの指令に従ってアーム３９０１並びに術具ユニット３９０２が駆動する。また、この種のマスタスレーブシステムには、例えばバイラテラル制御方式が適用される。
　なお、アーム３９０１は、例えば、極座標型ロボット、円筒座標型ロボット、直角座標系型ロボット、垂直多関節型ロボット、水平多関節型ロボット、パラレルリンク型ロボット、ＲＣＭ（Ｒｅｍｏｔｅ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｍｏｔｉｏｎ）型ロボットなどのうちいずれの機構型のロボットであってもよい。
　また、手術支援システムト３９００が腹腔鏡手術を支援する手術用ロボットである場合には、機構のコンパクト性や、トロッカー箇所でのピボット動作生成の容易性などの観点から、アーム３９０１として、垂直多関節型や、駆動回転中心から離れた位置に遠隔回転中心を配置してピボット（不動点）運動を実現するＲＣＭ（Ｒｅｍｏｔｅ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｍｏｔｉｏｎ）型のアームを用いることが好ましい。
　また、図３９では１本の術具ユニットのみを装着可能な手術用ロボットの構成例を示したが、同時に複数本の術具ユニットを装着して腹腔鏡下手術を実施可能なタイプの手術用ロボットにも、同様に適用することができる。
Ｆ－２．操作ユニットへの応用性
　図４０には、本実施形態に係る術具ユニットを利用した操作ユニット４０００の外観構成例を示している。操作ユニット４０００は、ユーザが直接手に持って操作するハンドル部４００１を備え、そのハンドル部４００１の先端に、術具ユニット４００２が搭載されている。術具ユニット４００２は、交換可能であってもよい。
　ハンドル部４００１は、術具ユニット４００２の術具ユニット先端部の姿勢を任意の方向に指示するための、親指で操作可能なジョイスティック４００３を備えてもよい。また、ハンドル部４００１は、ジョーの開閉操作を指示するための、人差し指で操作可能なボタン４００４を備えてもよい。
　ハンドル部４００１内には、コントローラ（図示しない）が搭載されてもよい。このコントローラは、ジョイスティック４００３やボタン４００４の操作量に応じたピッチユニット４０１の第１軸回りの旋回角度θpitch、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転角度θroll、及びジョー４０５ａ及び４０５ｂの開き角度θgripを演算し、これを各モータの回転量に換算して、術具ユニット駆動部１０３への制御信号を出力する。
Ｇ．効果
　本開示に係る術具ユニット１００は、ロールユニット４０２のロール軸に平行な第２軸回りの回転が遠位端の自由度となるので（但し、ジョーの把持自由度を除く）、広帯域化を実現することができる。具体的には、ピッチユニット４０１はピッチ軸に平行な第１軸回りに±８０度程度だけ旋回する回転自由度を有し、ロールユニット４０２は第２軸回りに±１５０度程度の回転自由度を有する。
　また、本開示に係る術具ユニット２００において、一対のジョー４０５ａ及び４０５ｂの開き角度θgripは、第１の往路のケーブルＣ１ａと第１の復路のケーブルＣ１ｂのシャフト１０２の長手軸方向の変位の差分で決まる（例えば、上式（７）を参照のこと）。また、ロールユニット４０２の第２軸回りの回転角度θrollは、第２の往路のケーブルＣ２ａと第２の復路のケーブルＣ２ｂのシャフト１０２の長手軸方向の変位の差分で決まる（例えば、上式（８）を参照のこと）。また、ピッチユニット４０１の第１軸回りの旋回角度θpitchは、第１の往復のケーブルセットＣ１ａ及びＣ１ｂと第２の往復のケーブルセットＣ２ａ及びＣ２ｂのシャフト１０２の長手軸方向の変位の平均値の差分で決まる（例えば、上式（６）を参照のこと）。
　要するに、本開示に係る術具ユニット１００の制御モデルは簡素である。したがって、術具ユニット１００を手術用ロボット（図３９を参照のこと）に適用したときには制御が容易であり、術具ユニット１００を操作ユニット（図４０を参照のこと）に適用したときにはオペレータの操作が容易である。
　また、本開示に係る術具ユニット１００は、ロールユニット４０２に歪み検出素子を装備して（図３７並びに図３８を参照のこと）、先端のジョーに加わる外力を検出することができる。この場合であっても、第１軸から先端のジョーまでの寸法を短く設計することが可能である。
　以上、特定の実施形態を参照しながら、本開示に係る技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本開示に係る技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
　本明細書では、本開示に係る技術を手術用ロボットに用いられる術具に適用した実施形態を中心に説明してきたが、本開示に係る技術の要旨はこれに限定されるものではない。本開示に係る技術は、精密作業ロボットなど、医療以外のさまざまな分野のロボットに適用することができる。また、本開示に係る技術は、ユーザが手で握りながら操作可能なグリップ型操作ユニットや精密作業装置にも適用することができる。
　要するに、例示という形態により本開示に係る技術について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本開示に係る技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
　なお、本開示に係る技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）シャフトと、
　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
を具備する術具。
（２）前記第２軸は、前記第１軸からオフセットさせた位置に配置される、
上記（１）に記載の術具。
（３）前記ロールユニットの前記第２軸方向の下端に取り付けられ、前記把持ユニットの前記第２軸方向の直動運動に連動して開閉動作する一対のジョーをさらに備える、
上記（１）又は（２）のいずれかに記載の術具。
（４）前記把持ユニットは、前記第２軸方向に前記ロールユニットを挿通するロッドを支持し、
　前記一対のジョーは、前記ロールユニットの前記下端付近の開閉軸で支持され、前記ロッドの前記第２軸方向の直動運動を開閉方向の運動に変換するカムを備える、
上記（３）に記載の術具。
（５）前記把持ユニットを前記第２軸方向に牽引する第１の往復のケーブルセットと、
　前記ロールユニットを前記第２軸回りに牽引する第２の往復のケーブルセットと、
をさらに備える、上記（４）に記載の術具。
（６）前記第１の往復のケーブルセットは、前記把持ユニットに固定される箇所を有し、且つ、前記ロールユニットに設けられた把持プーリを経由して前記第２軸方向で折り返すように配置される、
上記（５）に記載の術具。
（７）前記第２の往復のケーブルセットは、前記ロールユニットに設けられたロールキャプスタンに巻き付けられている、
上記（５）又は（６）のいずれかに記載の術具。
（８）前記第２の往復のケーブルセットの往路のケーブルと復路のケーブルは、互いに逆方向から前記第２軸回りに１８０度分だけ重なり、且つ前記第２軸の高さ方向に離間して接触しないように、前記ロールキャプスタンに巻き付けられている、
上記（７）に記載の術具。
（９）前記第１の往復のケーブルセットを前記シャフトの長手軸方向に変換する第１のアイドラプーリ部と、
　前記第２の往復のケーブルセットを前記シャフトの長手軸方向に変換する第２のアイドラプーリ部と、
をさらに備える、上記（５）乃至（８）のいずれかに記載の術具。
（１０）前記第１のアイドラプーリ部は、前記第１軸回りに回転する第１のアイドラプーリと、前記第１のアイドラプーリに隣接して前記第１軸と平行な回転軸を持つ第１の隣接アイドラプーリを含み、
　前記第２のアイドラプーリ部は、前記第１軸回りに回転する第２のアイドラプーリと、前記第２のアイドラプーリに隣接して前記第１軸と平行な回転軸を持つ第２の隣接アイドラプーリを含む、
上記（９）に記載の術具。
（１１）前記第２の往復のケーブルセットは、前記第１の往復のケーブルセットが前記第１のアイドラプーリに巻き付けられている方向とは逆の方向から、前記第２のアイドラプーリに巻き付けられている、
上記（１０）に記載の術具。
（１２）第１の駆動キャプスタンを回転させて前記第１の往復のケーブルセットを前記シャフトの長手軸方向に牽引する第１のアクチュエータと、
　第２の駆動キャプスタンを回転させ前記第２の往復のケーブルセットを前記シャフトの長手軸方向に牽引する第２のアクチュエータと、
をさらに備える、上記（１１）に記載の術具。
（１３）前記第１のアクチュエータ及び前記第１の駆動キャプスタンを固定して、前記シャフトの長手軸方向にスライド動作する第１のスライドベースと、
　前記第２のアクチュエータ及び前記第２の駆動キャプスタンを固定して、前記シャフトの長手軸方向にスライド動作する第２のスライドベースと、
　第３の駆動キャプスタンを回転させる第３のアクチュエータと、
　各端部が前記第１のスライドベース及び前記第２のスライドベースにそれぞれ固定され、前記第３の駆動キャプスタンに巻き付けられた第３の往復のケーブルセットと、
をさらに備え、
　前記第３の駆動キャプスタンの回転により、前記第１のスライドベース及び前記第２のスライドベースの進退動作を生成する、
上記（１２）に記載の術具。
（１４）術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
　前記術具は、
　シャフトと、
　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
を備える、手術支援システム。
（１５）術具と、前記術具を取り付けたハンドル部を具備し、
　前記術具は、
　シャフトと、
　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
を備える、手術用操作ユニット。
　１００…術具ユニット、１０１…術具ユニット先端部
　１０２…シャフト、１０３…術具ユニット駆動部
　３９００…手術用ロボット、３９０１…アーム
　３９０２…術具ユニット
　４０００…操作ユニット、４００１…ハンドル部、
　４００２…術具ユニット、４００３…ジョイスティック
　４００４…ボタン

Claims (15)

  1. 　シャフトと、
    　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
    　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
    　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
    を具備する術具。
  2. 　前記第２軸は、前記第１軸からオフセットさせた位置に配置される、
    請求項１に記載の術具。
  3. 　前記ロールユニットの前記第２軸方向の下端に取り付けられ、前記把持ユニットの前記第２軸方向の直動運動に連動して開閉動作する一対のジョーをさらに備える、
    請求項１に記載の術具。
  4. 　前記把持ユニットは、前記第２軸方向に前記ロールユニットを挿通するロッドを支持し、
    　前記一対のジョーは、前記ロールユニットの前記下端付近の開閉軸で支持され、前記ロッドの前記第２軸方向の直動運動を開閉方向の運動に変換するカムを備える、
    請求項３に記載の術具。
  5. 　前記把持ユニットを前記第２軸方向に牽引する第１の往復のケーブルセットと、
    　前記ロールユニットを前記第２軸回りに牽引する第２の往復のケーブルセットと、
    をさらに備える、請求項４に記載の術具。
  6. 　前記第１の往復のケーブルセットは、前記把持ユニットに固定される箇所を有し、且つ、前記ロールユニットに設けられた把持プーリを経由して前記第２軸方向で折り返すように配置される、
    請求項５に記載の術具。
  7. 　前記第２の往復のケーブルセットは、前記ロールユニットに設けられたロールキャプスタンに巻き付けられている、
    請求項５に記載の術具。
  8. 　前記第２の往復のケーブルセットの往路のケーブルと復路のケーブルは、互いに逆方向から前記第２軸回りに１８０度分だけ重なり、且つ前記第２軸の高さ方向に離間して接触しないように、前記ロールキャプスタンに巻き付けられている、
    請求項７に記載の術具。
  9. 　前記第１の往復のケーブルセットを前記シャフトの長手軸方向に変換する第１のアイドラプーリ部と、
    　前記第２の往復のケーブルセットを前記シャフトの長手軸方向に変換する第２のアイドラプーリ部と、
    をさらに備える、請求項５に記載の術具。
  10. 　前記第１のアイドラプーリ部は、前記第１軸回りに回転する第１のアイドラプーリと、前記第１のアイドラプーリに隣接して前記第１軸と平行な回転軸を持つ第１の隣接アイドラプーリを含み、
    　前記第２のアイドラプーリ部は、前記第１軸回りに回転する第２のアイドラプーリと、前記第２のアイドラプーリに隣接して前記第１軸と平行な回転軸を持つ第２の隣接アイドラプーリを含む、
    請求項９に記載の術具。
  11. 　前記第２の往復のケーブルセットは、前記第１の往復のケーブルセットが前記第１のアイドラプーリに巻き付けられている方向とは逆の方向から、前記第２のアイドラプーリに巻き付けられている、
    請求項１０に記載の術具。
  12. 　第１の駆動キャプスタンを回転させて前記第１の往復のケーブルセットを前記シャフトの長手軸方向に牽引する第１のアクチュエータと、
    　第２の駆動キャプスタンを回転させ前記第２の往復のケーブルセットを前記シャフトの長手軸方向に牽引する第２のアクチュエータと、
    をさらに備える、請求項１１に記載の術具。
  13. 　前記第１のアクチュエータ及び前記第１の駆動キャプスタンを固定して、前記シャフトの長手軸方向にスライド動作する第１のスライドベースと、
    　前記第２のアクチュエータ及び前記第２の駆動キャプスタンを固定して、前記シャフトの長手軸方向にスライド動作する第２のスライドベースと、
    　第３の駆動キャプスタンを回転させる第３のアクチュエータと、
    　各端部が前記第１のスライドベース及び前記第２のスライドベースにそれぞれ固定され、前記第３の駆動キャプスタンに巻き付けられた第３の往復のケーブルセットと、
    をさらに備え、
    　前記第３の駆動キャプスタンの回転により、前記第１のスライドベース及び前記第２のスライドベースの進退動作を生成する、
    請求項１２に記載の術具。
  14. 　術具と、前記術具を取り付けたアームを具備し、
    　前記術具は、
    　シャフトと、
    　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
    　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
    　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
    を備える、手術支援システム。
  15. 　術具と、前記術具を取り付けたハンドル部を具備し、
    　前記術具は、
    　シャフトと、
    　前記シャフトの先端に第１軸回りに旋回可能に連結されたピッチユニットと、
    　前記ピッチユニットに対して第２軸回りに回転可能に支持されたロールユニットと、
    　前記ロールユニットに対して前記第２軸方向に直動可能に支持された把持ユニットと、
    を備える、手術用操作ユニット。
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